Niturnám og blágrænbakteríur á svölum landsvæðum - verkefni lokið

Fréttatilkynning verkefnisstjóra

9.10.2020

Lífskurn sem byggir a hélumosa (Anthelia jurkatzkana) er sérstaklega algeng á eldfjallajarðvegi þar sem langvarandi snjótekja hindrar vöxt og framvindu háplöntusamfélaga og öflugra mosategunda. Á Íslandi er hélumosalífskurn einkum á hálendinu og áætlað að hún þeki meir en 300 ferkílómetra.

Við erfðagreiningu reyndust sýni frá 14 mismunandi svæðum hafa svipað en fjölbreytt örverusamfélag, aðallega af fylkingunum Alphaproteobacteria (19%), Actinobacteria (18%), Acidobacteria (16%) og Chloroflexi (8%), með tiltölulega lítið af Cyanobacteria (4%). Erfðaefni úr sveppum var algengt, um 10%, og þar sem sveppir eru að jafnaði með um tífalt hærra hlutfall lífmassa á móti erfðaefni en bakteríur, virðast bakteríur og sveppir hafa svipaðan lífmassa í hélumosalífskurn. Auk þess er áætlað að um 25% af virkum lífmassa sé í frumum hélumosa. Búið er að skrá hitastig og birtu með síritun á þessum 14 svæðum og fæst þannig einnig áreiðanleg tímasetning á snjóþekju, en undir snjó er hitastig ávallt nærri frostmarki og birta takmörkuð. Með erfðagreiningu fannst ákveðinn munur á starfsemi örvera í lífskurn og undirliggjandi jarðvegi, m.a. aukning á genum tengdum ljóstillífun í efra laginu. Umfangsmikil rannsókn var gerð á uppbyggingu sveppasamfélagsins í lífskurninni og hafa niðurstöðurnar verið birtar í ritrýndu vísindatímariti.

Auk landfræðilegra yfirlitsathugana höfum við komið upp föstum rannsóknarreitum, um einn fermetri hver, þar sem átta reitir eru umluktir lágum gegnsæjum plasthliðum sem auka sumarhita um 1,5-2 gráður á Celsius, og við hlið þeirra allra er jafn stór viðmiðunarreitur. Sams konar samanburðarreitir eru allvíða á heimskautasvæðum undir merkinu “International Tundra Experiment (ITEX)”, og hafa staðið í meira en tvo áratugi. Við höfum skráð hitastig, ljós, raka, gróðurþekju, jarðvegsöndun og sundrunarhraða í þessum reitum frá því snemmsumars 2018. Við höfum einnig nýtt efnivið frá þessu svæði í tilraunastofunni til að ákvarða áhrif hitastigs, raka og ljóss á niturnám og samsetningu örverusamfélagsins. Hluti af þessum niðurstöðum var nýttur í safngreiningu sem birt var í tímaritinu Ecology. Í verkefninu höfum við einnig rannsakað vanadín-nítrógenasa. Þær rannsóknir byggðust á basagreiningu fjögurra erfðamengja úr Nostoc blábakteríum sem einangraðar voru úr himnuskóf. Athygli okkar beindist að öfugri endurtekningu á geni vanadín-nitrógenasa og óvenjulegs próteinhneppis, CAAD, í öðru eintaki vanadín-nitrógenasans. Meistaraneminn Kalman Christer útbjó Nostoc stofna þar sem GFP flúrpróteini var skeytt við nítrógenasa prótein, með og án CAAD hneppis, auk GFP próteins með CAAD hneppi. Samleitin flúrsmásjá var síðan notuð til að skoða tjáningarmynstur GFP merktu próteinanna við mismunandi aðstæður. Þessi vinna hefur skapað verðmæta þekkingu á því hvað verður um nítrógenasa og CAAD hneppi med áföst flúrprótein við mismunandi vaxtarkjör. Niðurstöður þessarar rannsóknar verða birtar í námsritgerð í september 2020.

Aðal ávinningur rannsóknarinnar er stóraukin þekking á uppbyggingu og starfsemi hélumosalífskurnar, einkum á örverusamfélaginu, ásamt hlutverki lífskurnarinnar í gróðurframvindu snjódælda og svörun lífskurnarinnar við umhverfisbreytum svo sem hitastigi.

English:

The main aim of this project was to characterize widespread liverwort based biocrust communities, their structural components and their function, in particular nitrogen fixation. In addition, special attention was given to the role of aternative nitrogenases which utilize vanadium rather than molybdenum in the catalytic site. Biocrust cover based on the liverwort Anthelia jurkatzkana is particularly abundant on volcanic andosol and vitrisol with abundant snow cover hindering growth and progression of vascular plants and robust mosses. In Iceland Anthelia biocrust is primarily found in the highlands and is estimated to cover over 300 square km. Samples from 14 different areas in the highlands were found to have a similar structure by microscopic observation and genetic analysis showed a generally similar but diverse microbial community structure dominated by Alphaproteobacteria (19%), Actinobacteria (18%), Acidobacteria (16%) and Chloroflexi (8%), with a rather low presence of Cyanobacteria (4%). Fungal DNA was relatively frequent, or about 10%, and as fungi genarally have a tenfold higher biomass to DNA ratio than bacteria, the biomass of fungi and bacteria appear to be similar in Anthelia biocrust. The liverwort itself is estimated to contribute ~25% of the active biomass. These 14 different study sites have been monitored over several years for temperature and light (both of which also give reliable information on snowcover). Several distinct differences were found in functional genetic traits between the biocrust and the underlying soil, the most prominent beiing an enrichment in hotosynthesis-related traits in the upper layer. A detailed study was performed on the structure of the biocrust fungal community and the results were published in a scientific journal. In addition to geographic surveys we have established a series of 8 paired plots of ~1 square meter each, one of the pair enclosed by a low plastic open top chamber (OTC) leading to summer warming of 1.5-2 degrees Celsius, and the other plot with no enclosure for comparison. This experimental design is modelled after a series of similar experimental settings in the Arctic under the label International Tundra Experiment (ITEX) which have been running for over two decades. We have been monitoring, temperature, light, moisture, vegetation cover, soil respiration and decomposition rate in these plots since 2018. We have also used material from this area for laboratory experiments to determine the response in nitogen fixation and microbial community composition to temperature, light and moisture. Some of these results have been integrated into a metaanalysis published in the journal Ecology.

The main impact of our study results is greatly increased knowledge of the composition and function of Anthelia biocrust, particularly its microbial community, and its role in pioneer habitats and habitats with high winter snowcover, as well as its response to changes in environmental variables such as temperature. Work on alternative nitrogenases was based on genome sequencing of four Nostoc strains isolated from Peltigera lichens. Our focus was on the inverted duplication of the vanadium based nitrogenase gene and the unusual presence of a so called CAAD (Cyanobacterial Aminoacyl-tRNA synthetase domain) in one of the duplications. Masters student Kalman Christer constructed variants of the strains with the GFP reporter protein attached to nitrogenase proteins with and without the CAAD, as well as the GFP with only CAAD added. The expression of these proteins was then monitored under different conditions by confocal fluorescence microscopy. This work adds valuable information on what happens to nitrogenase and CAAD domains attached to fluorescent proteins in Nostoc under different conditions of growth. The results of this study will be presented in a dissertation to be submitted in September 2020.

Outputs:

3 masters dissertations

2 published articles

1 draft manuscript

Participation in the following conferences:

Biocrust4, held in Australia 2019

European Geosciences Union General Assembly Austria 2018

19th ITEX Meeting Scotland 2018

Icelandic Biology Conference 2017 & 2019

Icelandic Ecological Society Conference 2017 & 2018

Nordic Oikos Ecology Conference 2020

Web page: https://www.visindavefur.is/svar.php?id=75834 #

Interview with Leifur Hauksson on radio program “Samfelagid” 2018

Heiti verkefnis: Niturnám og blágrænbakteríur á svölum landsvæðum/ Nitrogen fixation and cyanobacteria in cool terrestrial habitats
Verkefnisstjóri: Ólafur Sigmar Andrésson, Háskóla Íslands 
Tegund styrks: Verkefnisstyrkur
Styrktímabil: 2016-2018
Fjárhæð styrks: 52,623 millj. kr. alls
Tilvísunarnúmer Rannís: 163336