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poiché gli zuccheri sono prontamente consumati dai microrganismi.I nostri esperimenti hanno indicato che in condizioni di basso ossigeno, i composti fenolici di P. oceanica hanno inibito il consumo microbico di saccarosio.Le analisi della comunità della rizosfera hanno rivelato che molti microbi avevano i geni per la degradazione del saccarosio, ma questi erano espressi solo da pochi taxa che esprimevano anche i geni per la degradazione dei fenolici.Dato che abbiamo osservato alte concentrazioni di saccarosio sotto altre tre specie di piante marine, prevediamo che la presenza di fenolici prodotti dalle piante in condizioni di basso ossigeno consenta l'accumulo di molecole labili attraverso le rizosfere acquatiche.Le fanerogame marine sono angiosperme marine che costituiscono la base di ecosistemi ecologicamente ed economicamente preziosi lungo le regioni costiere di tutti i continenti ad eccezione dell'Antartide1.In quanto ingegneri dell'ecosistema, le fanerogame marine forniscono importanti servizi agli esseri umani.Ad esempio, le praterie di fanerogame sono habitat importanti per la pesca, stabilizzano i fondali marini, rimuovono gli inquinanti e guidano il ciclo biogeochimico2.Le fanerogame marine sono altamente efficienti nel sequestrare il carbonio dall'atmosfera incorporandolo nei loro tessuti e seppellendolo come materia organica nei loro sedimenti3;seppelliscono il carbonio 35 volte più velocemente delle foreste pluviali per unità di area4.Le fanerogame marine espellono anche elevate concentrazioni di carbonio organico disciolto (DOC) nell'ambiente5, che si presume sia parzialmente metabolizzato dai microrganismi nei sedimenti che circondano i rizomi e le radici delle fanerogame marine.Sulla terra, le angiosperme espellono fino al 30% della loro produzione primaria sotto forma di composti organici nei loro terreni per attrarre partner microbici benefici, difendersi dai patogeni e comunicare con altri individui6.Questi essudati radicali alimentano complesse reti alimentari microbiche che guidano lo stoccaggio a lungo termine del carbonio organico7.Molto meno si sa su come le fanerogame marine interagiscono con le comunità microbiche nei loro sedimenti8.Qui, mostriamo che i sedimenti di fanerogame sono veri e propri punti dolci nel mare che contengono concentrazioni sorprendentemente elevate di zuccheri semplici, principalmente sotto forma di saccarosio.I nostri risultati indicano che il consumo microbico di queste fonti reattive di carbonio organico è inibito dalla presenza di composti fenolici nella rizosfera di fanerogame.Le nostre analisi metabolomiche della chimica dell'acqua dei pori sotto un prato della prateria endemica del Mediterraneo, P. oceanica, hanno rivelato inaspettatamente concentrazioni di zuccheri nell'intervallo µM elevato (Fig. 1a, b, Fig. 1 supplementare e Tabelle 1 e 2 supplementari).Lo zucchero principale nel metaboloma dell'acqua dei pori era il disaccaride saccarosio (Figura 2 supplementare), che ha anche dimostrato di essere lo zucchero più abbondante nei tessuti delle fanerogame marine, tra cui P. oceanica9.Dato che le fanerogame occupano 300.000–600.000 km2 di regioni costiere3, abbiamo stimato prudentemente uno stock globale di 0,67–1,34 Tg di saccarosio nei 30 cm superiori di sedimenti di fanerogame.Le concentrazioni di saccarosio che abbiamo misurato sotto P. oceanica sono fino a 80 volte superiori alle riserve di carboidrati totali disciolti misurate in precedenza dai sedimenti marini e 2.000 volte superiori alle concentrazioni di zucchero libero nell'oceano aperto10,11.Le nostre osservazioni rappresentano un paradosso nell'ecologia microbica, poiché è ampiamente noto che la maggior parte dei microrganismi consuma rapidamente zuccheri, come il saccarosio, nel loro ambiente circostante12,13.Finora, gli unici habitat microbici conosciuti che contengono concentrazioni altrettanto elevate di zuccheri semplici includono linfa e nettari di frutta, rizosfere di agroecosistemi tra cui barbabietola da zucchero e biofilm su muschi e macroalghe marine14,15.a, I profili d'acqua dei pori del sedimento sono stati raccolti a 20 m di distanza, a 1 m di distanza e al di sotto di una prateria mediterranea di P. oceanica al largo dell'Elba, in Italia.I profili dell'acqua dei pori erano costituiti da campioni raccolti ogni 5 cm da 0 a 30 cm di profondità del sedimento.b, I grafici mostrano le concentrazioni di saccarosio nelle acque dei pori attraverso la profondità del sedimento (i numeri di replica sono riportati per ciascuna combinazione di località e profondità del campione).I punti rossi rappresentano le concentrazioni medie ± sem Le dimensioni dei campioni a ciascuna profondità del sedimento sono indicate nella figura.Le concentrazioni di saccarosio sono tracciate su scala logaritmica.Le concentrazioni di zucchero erano significativamente più alte all'interno del prato rispetto all'esterno o al bordo (P = 3,56 × 10-13; ANOVA a due vie che confrontava le concentrazioni di zucchero in funzione della profondità e della posizione del sedimento; i risultati del modello e i valori di significatività sono riportati nelle tabelle supplementari 2 e 3, i valori medi attraverso le profondità dei sedimenti sono riportati nella tabella supplementare 1).c-e, immagini MS di desorbimento/ionizzazione laser schematica (c, d) e assistita da matrice (e) da una radice di P. oceanica raccolta da un prato nel Mediterraneo al largo dell'Elba, in Italia.Viene visualizzata una sezione trasversale di un quarto di radice.In e, la distribuzione ionica molecolare dei disaccaridi (C12H22O11, addotto di potassio [M + K]+, m/z 381,0754), incluso il saccarosio (come confermato dalle analisi GC-MS), mostra che l'abbondanza relativa era più alta nel rizoderma della radice .Le misurazioni replicate (n = 7) delle singole sezioni della radice sono presentate nella Figura 5 supplementare. Le abbondanze relative sono visualizzate come una mappa di calore dalle intensità basse (blu) ad alte (gialle) di ciascun pixel (10 µm).rd, rizoderma;hd, ipoderma;c, corteccia;l, lacune;ed, endoderma;s, stele.Per comprendere la distribuzione dello zucchero su scale spaziali, abbiamo raccolto 570 profili metabolomici dall'acqua dei pori dei sedimenti sottostanti, a 1 me 20 m da un prato di P. oceanica nel Mediterraneo (dentro, bordo e fuori; Fig. 1a).Analisi non mirate e mirate hanno rivelato che i sedimenti sotto P. oceanica contenevano concentrazioni significativamente più elevate di saccarosio, glucosio, trealosio, mio-inositolo e mannitolo rispetto ai siti lontani dalle alghe (Dati estesi Fig. 1, Figura 1 supplementare e Supplementare Tabelle 2 e 3).Le misurazioni sfuse di DOC erano almeno 2,6 volte più alte all'interno del prato rispetto al bordo o all'esterno (dati estesi Fig. 2a e tabelle supplementari 2-4).Gli zuccheri misurati hanno contribuito fino al 40% del pool DOC sotto le praterie di fanerogame, che costituiscono una fonte di carbonio ricca di energia che non è stata ancora descritta o caratterizzata (Dati estesi Fig. 2b)5.Precedenti studi hanno dimostrato che le fanerogame marine espellono il carbonio organico prodotto dalla fissazione della CO2 nei loro sedimenti16 e hanno ipotizzato che il saccarosio sia uno dei componenti principali del carbonio escreto date le sue elevate concentrazioni nei tessuti delle fanerogame marine9.Tuttavia, fino ad ora non era nota la composizione molecolare del carbonio organico escreto dalle fanerogame marine.Qui, forniamo prove che il saccarosio è il componente principale degli essudati di P. oceanica e, di seguito, colleghiamo la produzione primaria di fanerogame all'accumulo di saccarosio nella rizosfera marina.Attraverso una serie di analisi temporali e spaziali, forniamo prove a sostegno della nostra ipotesi che il saccarosio entri nella rizosfera attraverso le radici di P. oceanica.In primo luogo, gli esperimenti sul campo hanno mostrato che le concentrazioni di saccarosio differivano su scale temporali stagionali e giornaliere (testo supplementare 1, figura supplementare 3 e dati estesi figura 3) ed erano più alte alle profondità del sedimento in cui si verificavano le radici di fanerogame (figura 2a-c e Supplementare Fig. 4).In secondo luogo, le immagini della spettrometria di massa (MS) delle sezioni trasversali delle radici di P. oceanica hanno rivelato che il saccarosio era distribuito in tutti i tessuti della radice.Il saccarosio era particolarmente abbondante nel rizoderma, lo strato cellulare più esterno della radice (Fig. 1c-e e Fig. 5 supplementare), suggerendo che lo zucchero viene escreto o rilasciato passivamente nel sedimento attraverso il rizoderma.Sia il trasporto attivo che la diffusione sono noti dalle piante terrestri che rilasciano essudati, compresi gli zuccheri, attraverso le loro radici nel suolo6,17.Collettivamente, i nostri risultati di P. oceanica indicano che questa pianta marina trasferisce quotidianamente notevoli quantità di saccarosio ai sedimenti circostanti attraverso le sue radici.a, Schema che mostra che le radici di P. oceanica si estendono tra 5 e 20 cm nei sedimenti nelle praterie di fanerogame mediterranee al largo dell'Isola d'Elba, Italia.b,c, DOC (Tabella Supplementare 4) (b) e le concentrazioni di saccarosio (c) erano più alte nella zona di penetrazione delle radici tra 5 e 30 cm (ANOVA a due vie P <0,001; risultati del modello ANOVA e test post-hoc riportati nelle Tabelle Supplementari 2 e 3).I punti rossi rappresentano la media ± sem DOC e le concentrazioni di saccarosio attraverso la profondità di campionamento;le linee rosse collegano i mezzi.I numeri di replica attraverso le profondità dei sedimenti sono indicati accanto a b e c.d, I profili di ossigeno (n = 2) utilizzando una lancetta per misurare l'O2 nelle acque interstiziali hanno rivelato che le concentrazioni di ossigeno erano più elevate sulla superficie del sedimento, diminuivano drasticamente tra gli strati di sedimenti superiori e 2,5 cm e diventavano anossiche a 7,5 cm.I punti rappresentano le profondità dell'orizzonte dei sedimenti in cui sono stati raccolti i campioni;diversi tipi di linea e colori rappresentano i singoli profili.Il saccarosio e altri zuccheri sono importanti fonti di carbonio ed energia per i microrganismi del suolo e dei sedimenti.Per capire perché gli zuccheri prodotti dalle alghe non vengono consumati rapidamente dai microrganismi dei sedimenti, abbiamo misurato le concentrazioni di ossigeno in situ nei sedimenti sotto una prateria mediterranea di P. oceanica.Abbiamo osservato una forte diminuzione delle concentrazioni di ossigeno, da 202 µM a <0,5 µM, entro i primi 7,5 cm sotto la superficie del sedimento raggiungendo condizioni ipossiche dopo 5 cm (7–10 µM, Fig. 2d).Nelle nostre misurazioni, l'ossigeno è penetrato più in profondità delle profondità di mm comunemente osservate nei sedimenti sottostanti e adiacenti alle praterie di P. oceanica, sebbene siano state osservate profondità di penetrazione dell'ossigeno fino a 4 cm18,19,20.Studi precedenti hanno mostrato che le fanerogame marine, inclusa la P. oceanica, rilasciano ossigeno dalle loro radici ai loro sedimenti21 ma non abbiamo rilevato ossigeno negli strati di sedimenti più profondi, presumibilmente perché il nostro protocollo di campionamento dell'ossigeno non poteva rilevare variazioni nelle concentrazioni di ossigeno a scale <2,5 cm (supplementare metodi).La diminuzione osservata dell'ossigeno con la profondità sotto le praterie di P. oceanica suggerisce che i microrganismi che vivono in strati di sedimenti più profondi di 5 cm non sono in grado di utilizzare le vie aerobiche per la respirazione del saccarosio.In assenza di ossigeno, i microrganismi fermentano gli zuccheri in acidi organici, che una comunità sintrofica di batteri e archaea respira alla CO2, utilizzando principalmente nitrati e solfati come accettori di elettroni.Sebbene i nitrati siano limitati nei sedimenti al di sotto delle praterie di fanerogame marine22, le concentrazioni di solfato nelle acque interstiziali del Mediterraneo superano i 28 mM e sono stabili tra i siti e le profondità dei sedimenti20.È quindi probabile che ci fosse solfato sufficiente sotto le praterie di P. oceanica per consentire ai microrganismi che riducono i solfati di metabolizzare i prodotti di scarto della fermentazione dello zucchero.Insieme a precedenti osservazioni di poco o nessun solfuro sotto questi prati nonostante la disponibilità di solfato20, ipotizziamo che altri fattori biogeochimici oltre agli accettori di elettroni inibiscano la degradazione microbica degli zuccheri semplici sotto i prati di fanerogame.I fenolici sono una classe di composti che potrebbero limitare la degradazione microbica del saccarosio in condizioni anossiche, come mostrato per i microbiomi ruminali dove la presenza di fenolici inibisce la crescita microbica23.Per testare la nostra ipotesi, abbiamo analizzato la composizione molecolare della materia organica disciolta nell'acqua dei pori dei sedimenti (DOM) sotto e adiacente a un prato mediterraneo di P. oceanica utilizzando MS24 ad altissima risoluzione.Abbiamo scoperto che, in tutti i luoghi di campionamento, il 10-16% di tutte le formule molecolari rilevate consisteva in polifenoli e altri composti altamente aromatici (identificazione molecolare secondo il rif. 25) (Fig. 3a).La composizione di questi profili DOM era paragonabile a ecosistemi con forti apporti di materia organica terrestre, come i fiumi26,27.P. oceanica contiene composti fenolici nei suoi tessuti radicali, inclusi acido cicorico e acido caffeico (Dati estesi Fig. 4 e Fig. 6 supplementare)28.In effetti, la formula della somma per l'acido caffeico (C9H8O4) aveva i conteggi più alti nelle acque dei pori sotto la prateria di fanerogame tra 5 e 25 cm di profondità del sedimento (Fig. 2b e Tabella 2 supplementare; vedere la Fig. 7 supplementare per l'identificazione dell'acido caffeico nei sedimenti acque porose).Probabili fonti di acido caffeico nelle acque dei pori includono il rilascio attivo da alghe marine viventi o percolati dal materiale in decomposizione di P. oceanica.Dato che la torba di P. oceanica persiste nei sedimenti da centinaia a migliaia di anni e che il materiale vegetale in decomposizione è una fonte di lignina e composti fenolici per i suoli sulla terraferma, è probabile che il materiale di alghe marine in decomposizione sia una delle principali fonti di fenolici nei sedimenti sotto e accanto alla prateria di fanerogame29,30.a, Profili dell'acqua dei pori della composizione molecolare del DOM sotto (dentro) e 1 m (bordo) e 20 m (fuori) dalle praterie di fanerogame, misurati con MS ad altissima risoluzione.Le nostre analisi hanno rivelato abbondanti formule molecolari aromatiche, inclusi i polifenoli, che costituivano il 10-16% di tutte le formule molecolari nei siti di campionamento.La dimensione dei punti riflette il numero di formule molecolari per campione.b, la conta ionica della formula molecolare C9H8O4, che include il composto fenolico più abbondante nei tessuti delle fanerogame, l'acido caffeico, è significativamente più alta all'interno del prato rispetto al bordo o all'esterno del prato (ANOVA a due vie, posizione P = 0,00026).Le distribuzioni dei conteggi rivelano anche conteggi più elevati all'interno dell'interfaccia radice-sedimento, tra 5 e 25 cm al di sotto della superficie del sedimento (ANOVA a due vie, posizione × profondità P = 0,03).L'identificazione dell'acido caffeico (C9H8O4) nelle acque dei pori sotto P. oceanica è stata confermata utilizzando LC-MS/MS (Figura 7 supplementare).Per i risultati statistici e i test post-hoc, vedere le Tabelle Supplementari 2 e 3.Per verificare se la presenza di fenolici di fanerogame limita la degradazione microbica del saccarosio, abbiamo estratto i fenolici dal tessuto di P. oceanica (Figura 6 supplementare) e abbiamo introdotto questo estratto con 13C12-saccarosio nei sedimenti di prato in condizioni ossiche e anossiche utilizzando esperimenti con liquame ( Testo Supplementare 2).Abbiamo osservato che la presenza di composti fenolici derivati ​​dalle alghe in condizioni anossiche ha ridotto significativamente i tassi di respirazione del 13C-saccarosio e di conseguenza la produzione di 13CO2 di oltre dieci volte.Al contrario, in condizioni ossiche non abbiamo visto alcun effetto significativo dei fenoli sulla respirazione del saccarosio (Fig. 4a, b e Testo supplementare 2).Abbiamo utilizzato i tassi di respirazione misurati dalle nostre incubazioni di sedimenti anossici per confrontare la velocità con cui lo stock di saccarosio in piedi calcolato sotto un prato di P. oceanica di 3,99 mmol m-2 negli strati di sedimenti anossici (5–20 cm) potrebbe essere completamente respirato a CO2 in assenza e presenza di composti fenolici derivati ​​dalle fanerogame marine (per i calcoli vedere la Tabella Supplementare 5 e il Testo Supplementare 3).In assenza di composti fenolici sotto anossia, la pozza di saccarosio in piedi sotto il prato verrebbe completamente respirata a CO2 a una velocità di 232 mmol (C) m-2 d-1 nell'acqua di mare (Fig. 4c), con conseguente rimozione completa di saccarosio in CO2 in meno di un giorno (Tabella Supplementare 5).Quando consideriamo la presenza di composti fenolici derivati ​​dalle alghe, i nostri risultati di incubazione hanno mostrato che sotto l'anossia, i fenolici hanno ridotto i tassi di respirazione di C da 13C-saccarosio a 20 mmol (C) m-2 d-1 (Fig. 4c e Tabella Supplementare 5) .I nostri risultati sono coerenti con studi precedenti che dimostrano che l'inibizione fenolica della respirazione microbica aumenta al diminuire delle concentrazioni di ossigeno31,32,33.Sono inoltre coerenti con il fabbisogno di ossigeno da parte delle fenolossidasi microbiche (PO), gli enzimi fondamentali per l'ossidazione microbica dei composti fenolici.Gli studi che esplorano l'attività del PO nelle torbiere hanno mostrato che la degradazione fenolica diminuisce con la diminuzione della disponibilità di ossigeno31,34.Nelle praterie di P. oceanica, la degradazione dei composti fenolici nello strato ossico sotto il prato consentirebbe alla comunità microbica dei sedimenti di respirare completamente il saccarosio, mentre in condizioni di ossigeno basso o nullo le alte concentrazioni di fenolici inibiscono il consumo microbico di saccarosio e gli zuccheri si accumulano sotto il praterie di fanerogame.a,b, Sedimenti da carote replicate (n = 3) raccolti all'interno di una prateria mediterranea di P. oceanica al largo dell'Isola d'Elba, Italia, hanno consumato 13C12-saccarosio (a) e prodotto 13CO2 (b) nel corso di ossico e anossico esperimenti condotti nell'arco di 24 h.I singoli punti sia in a che in b rappresentano i mezzi di trattamento ± sem attraverso repliche indipendenti (n = 3).In condizioni ossiche, il tasso di produzione di 13CO2 da 13C12-saccarosio era simile tra i trattamenti e almeno 2,5 volte superiore ai tassi osservati in anossia (notare le diverse scale dell'asse y).Tuttavia, nelle incubazioni anossiche, l'aggiunta di fenolici estratti dai tessuti di P. oceanica ha inibito la degradazione microbica del saccarosio a CO2.c, I tassi di respirazione misurati stimati in condizioni di anossia mostrano che la produzione di 13CO2 dal saccarosio in presenza di composti fenolici è almeno otto volte inferiore a quella della condizione naturale o artificiale dell'acqua di mare (Tabella Supplementare 5).La dimensione delle frecce è proporzionale al tasso potenziale di CO2 rilasciato dal saccarosio in mmol(C) m−2 d−1.I nostri esperimenti di incubazione mostrano che la comunità microbica sotto le praterie di fanerogame ha la capacità metabolica di degradare il saccarosio, ma questo potenziale è significativamente ridotto dalla presenza di fenolici nel loro ambiente.Il nostro lavoro, insieme alla ricerca sull'essudazione delle piante nelle rizosfere terrestri, indica che sia le piante marine che quelle terrestri espellono zuccheri e composti fenolici nei loro terreni30,35.Tuttavia, nelle rizosfere terrestri dove c'è sufficiente ossigeno, questi composti fenolici vengono degradati36.Ciò rimuove l'effetto inibitorio della maggior parte dei composti fenolici sul metabolismo microbico, in modo che le comunità microbiche siano in grado di consumare zuccheri prodotti dalle piante37.Al contrario, nella rizosfera marina di P. oceanica, solo i primi centimetri sotto il prato sono ossici, mentre la maggior parte del sedimento sotto i prati è anossico.In questi sedimenti anossici, i fenolici prodotti dalle fanerogame non si ossidano rapidamente e quindi si accumulano, limitando la degradazione microbica del saccarosio e consentendo agli zuccheri di accumularsi nella rizosfera delle fanerogame.Pertanto, la presenza di sostanze fenoliche e la mancanza di ossigeno sotto le fanerogame marine ritarda l'immissione di carbonio organico reattivo nella respirazione microbica, consentendo l'accumulo di saccarosio.La deposizione di carbonio delle piante nei suoli terrestri funge da chemio-attrattivo per i microrganismi benefici, comprese le micorrize arbuscolari, i batteri benefici e gli archaea6.Ipotizziamo che la deposizione di piante marine di saccarosio, composti fenolici e altri composti nei sedimenti strutturi la composizione e la funzione della rizosfera marina associata.Utilizzando la metagenomica e il sequenziamento dell'amplicone di rRNA 16S a lunghezza intera dai sedimenti raccolti all'interno e a 1 me 20 m all'esterno del prato, mostriamo che i sedimenti sotto le praterie di fanerogame contenevano una comunità distinta di microrganismi (Fig. 5a, b e Dati estesi Fig. 5 ).Utilizzando le analisi delle coordinate principali (PCoA), i campioni sono raggruppati in base al loro sito di raccolta, sulla base della composizione tassonomica delle librerie di sequenziamento dell'rRNA 16S sia metagenomiche che a lunghezza intera (Fig. 5a, b).Il nostro sequenziamento dell'amplicone ha inoltre rivelato che le comunità batteriche erano molto diverse tra i siti di raccolta, rispecchiando le complessità note negli habitat terrestri che contengono migliaia di taxa per grammo di suolo38.Tuttavia, abbiamo osservato meno varianti della sequenza dell'amplicone (ASV) all'interno rispetto all'esterno del prato (Fig. 5c).Questi dati indicano che la presenza della rizosfera delle fanerogame non solo seleziona taxa specifici, ma limita anche la diversità della comunità.Allo stesso modo, sulla terraferma, le piante secernono composti nelle loro rizosfere, creando un habitat che modella la composizione comunitaria dei loro taxa del suolo39 e si traduce in una comunità microbica specializzata con una diversità inferiore rispetto ai suoli vicini non vegetati40,41.a, b, analisi PCoA mostrano che la composizione tassonomica delle comunità microbiche sotto (dentro) e lontano (bordo e fuori) da una prateria mediterranea di P. oceanica al largo dell'Elba, Italia, era significativamente diversa sulla base della metagenomica di massa (livello di ordine, analisi unidirezionale delle somiglianze (ANOSIM) R2 = 0,65, P = 0,006) (a) e sequenziamento dell'amplicone 16S rRNA a lunghezza intera (livello di genere, ANOSIM unidirezionale R = 0,835, P = 0,005) (b).c, Il numero totale di ASV era significativamente inferiore nei campioni raccolti all'interno e all'esterno del prato rispetto al bordo (Min = 1.793 ± 79 sem; Medge = 2.224 ± 23 sem; Mout = 1.983 ± 51 sem).NS, non significativo.d, i boxplot mostrano il rapporto di espressione cumulativo in ciascun MAG tra le idrolasi di glicosidi (GH) che si prevede degradano il saccarosio rispetto ad altri zuccheri (punti sovrastanti).Gli specialisti putativi del saccarosio (punti colorati) sono definiti come aventi TPM più elevati per la degradazione del saccarosio rispetto a tutti gli altri enzimi GH (TPMsaccarosio/TPMother > 1).I TPM rappresentano l'espressione totale in ogni libreria specifica del sito.La maggior parte dei MAG nei siti erano generalisti dello zucchero, mentre presunti specialisti del saccarosio sono stati trovati solo in tre MAG all'interno e tre ai margini del prato.e–j, alberi filogenomici per sei specialisti del saccarosio: MAG 142 (e);MAG 209 (f);MAG 438 (g);MAG 154 (h);MAG 207 (i);e MAG 76 (j).Le caselle colorate mostrano i membri raggruppati all'interno dello stesso clade familiare.Per l'abbondanza relativa di ciascuno dei presunti specialisti del saccarosio negli habitat, vedere la Fig. 10 supplementare.I genomi microbici recuperati dalle nostre analisi metagenomiche (Figura 8 supplementare) hanno rivelato che i taxa nella rizosfera di P. oceanica sembrano essere limitati nella loro capacità di degradare il saccarosio nonostante l'elevata abbondanza di questo zucchero semplice nel loro ambiente.Abbiamo recuperato 182 genomi assemblati metagenomici (MAG), 125 dei quali erano di qualità di bozza media (tabelle supplementari 6 e 7) e focalizzato le nostre analisi metagenomiche e metatrascrittomiche sui geni utilizzati nel metabolismo del saccarosio microbico.Sebbene l'80% dei MAG recuperati contenesse geni che codificano per la degradazione del saccarosio, comprese le fosforilasi del saccarosio e le idrolasi del saccarosio-6-fosfato, questi geni erano espressi solo nel 64% dei MAG (Tabella supplementare 8).Inoltre, per la maggior parte dei MAG, l'espressione dei geni codificati per la degradazione del saccarosio non era tra i primi 10% di tutti gli ortologhi espressi (Testo supplementare 4 e Figura 9 supplementare).Nonostante l'espressione relativamente bassa di geni che codificano per la degradazione del saccarosio nella maggior parte dei MAG, abbiamo identificato sei MAG nei siti di campionamento che esprimevano una percentuale maggiore di geni che codificano per la degradazione del saccarosio rispetto ad altri zuccheri (TPMsucrose/TPMother > 1; Fig. 5d e Extended Dati Fig. 6).Sulla base delle nostre analisi genomiche, prevediamo che tre di queste sei specie batteriche metabolizzino preferenzialmente il saccarosio rispetto ad altri zuccheri all'interno della prateria di fanerogame.Questi presunti specialisti del saccarosio erano membri non descritti di Xanthomonadales (MAG 142), Verrucomicrobiales (MAG 209) e del lignaggio gammaproteobatterico ambientale UBA6522 (MAG 438) (Fig. 5e-g).I presunti specialisti del saccarosio ai margini del prato appartenevano ai Desulfobacterales (MAG 154), Thiohalomonadales (MAG 207) e Beggiatoales (MAG 76) (Fig. 5h–j).Oltre alla degradazione del saccarosio, questi sei MAG coprivano una serie di vie metaboliche, tra cui la fissazione di CO2 e N2, l'uso di composti di zolfo ridotti e idrogeno come fonti di energia e respirazione del solfato (Tabella Supplementare 8 e Testo Supplementare 4).Entrambi i MAG 76 e 154 sono anaerobi facoltativi sulla base dell'assenza di citocromo c ossidasi nei loro genomi.Dati i nostri risultati sperimentali che mostrano che i composti fenolici inibiscono la degradazione del saccarosio microbico in condizioni anaerobiche, assumiamo che i degradatori anaerobici del saccarosio dovrebbero essere in grado di degradare i fenolici.In effetti, i dati di espressione hanno indicato che sia MAG 76 che MAG 154 degradano i fenolici attraverso le vie del benzoil-CoA e del beta-chetoadipato (Tabella supplementare 8).Inoltre, i dati di espressione per tre dei quattro MAG aerobici hanno indicato che questi degradano anche i fenolici, consentendo loro di metabolizzare il saccarosio negli strati superiori della rizosfera di fanerogame (testo supplementare 4).È interessante notare che il simbionte che fissa l'N2 nei tessuti radicali di P. oceanica, che ottiene anche la sua energia e carbonio dagli zuccheri di origine vegetale, esprima geni coinvolti nella disintossicazione dei composti fenolici19, indicando il forte vantaggio selettivo che questo tratto fornisce alle fanerogame marine- microrganismi associati.I nostri risultati metagenomici e metatrascrittomici sono coerenti con i nostri esperimenti di incubazione dei sedimenti.Molti membri della comunità microbica sotto il prato hanno la capacità genomica di degradare il saccarosio.Tuttavia, la bassa trascrizione dei geni coinvolti nel metabolismo del saccarosio, insieme alle nostre misurazioni delle alte concentrazioni di saccarosio sotto il prato, indicano che la maggior parte dei membri della rizosfera delle fanerogame non degrada attivamente questa fonte di carbonio.Ipotizziamo che i pochi taxa che hanno espresso in modo sproporzionato i geni per la degradazione del saccarosio rispetto ad altri zuccheri abbiano sviluppato meccanismi che hanno consentito loro di prosperare su questa risorsa di carbonio e energia abbondantemente disponibile e facilmente degradabile nella rizosfera delle fanerogame marine nonostante la presenza di composti fenolici.Ciò è coerente con la ricchezza di dati provenienti dalle rizosfere terrestri che mostrano che microrganismi selezionati sono in grado di utilizzare zuccheri e altri composti in presenza di fenolici36,37,42.Infatti, nelle rizosfere terrestri, i composti fenolici lavorano per modellare la composizione della comunità del suolo agendo come antimicrobici nei confronti di alcuni taxa microbici e stimolandone altri42,43.Ipotizziamo che anche altri tipi di rizosfera acquatica contengano elevate concentrazioni di saccarosio e altri zuccheri, dato che la maggior parte delle piante produce composti fenolici e l'ossigeno si esaurisce rapidamente nei primi centimetri nei sedimenti acquatici44,45.Abbiamo misurato concentrazioni di saccarosio simili a quelle delle praterie di P. oceanica nelle acque interstiziali di altri ecosistemi vegetali marini: in altre due specie di fanerogame marine provenienti da ceppi filogeneticamente distinti di angiosperme (Thalassia testudinum e Syringodium filiforme) e in un popolamento misto di specie di mangrovie (principalmente Rhizophora mangle) (Fig. 6 e Tabella 1 supplementare).È interessante notare che il saccarosio persiste in questi ecosistemi altrimenti oligotrofici.Per comprendere appieno come questi componenti labili del pool DOC si integrano nei modelli globali del carbonio, è fondamentale che studi futuri quantifichino la composizione di questo pool di carbonio altrimenti non riconosciuto.a, Le fanerogame marine si trovano nelle acque costiere di tutto il mondo (dati consultati dal Centro di monitoraggio della conservazione ambientale mondiale delle Nazioni Unite il 21 marzo 2020, http://data.unep-wcmc.org/datasets/7).S. filiforme (rosa), T. testudinum (giallo) in Belize (BZ) e P. oceanica (viola) in Italia (IT) erano le specie dominanti in entrambi i siti di campionamento in questo studio.b, i grafici a scatola e baffi con punti dati sovrapposti mostrano che le acque interstiziali raccolte sotto le praterie di fanerogame e le mangrovie variavano, a seconda del tipo di prato.La linea centrale è la mediana, i limiti del riquadro rappresentano i quartili superiore e inferiore, i baffi sono 1,5 volte gli intervalli interquartile, i valori anomali non vengono visualizzati.In particolare, il saccarosio era significativamente più alto nelle acque interstiziali sotto i popolamenti misti (n = 14) e mono delle specie di fanerogame S. filiforme (n = 29) e T. testudinum (n = 47), seguiti da campioni prelevati sotto la torba di mangrovie (n = 48) e infine erano i più bassi sotto i prati di P. oceanica (n = 382).Nella quasi totalità dei casi, esclusi i campioni delle mangrovie, le concentrazioni di saccarosio hanno talvolta superato i valori micromolari.Risultati dei test post-hoc: ***P < 0,001, **P < 0,01.I contrasti non mostrati non sono significativi (Tabelle Supplementari 2 e 3).Il nostro studio ha rivelato che grandi quantità di saccarosio prodotto da P. oceanica non sono entrate completamente nel circuito microbico, il che probabilmente ha conseguenze significative per la sepoltura del carbonio in questi ecosistemi costieri.L'accumulo di saccarosio è guidato dalla presenza di sostanze fenoliche in condizioni da ipossiche a anossiche, che mostriamo un limitato metabolismo microbico degli zuccheri.Questi risultati forniscono la prova che la reattività del DOM è complessa e governata da processi biotici e abiotici, compreso il potenziale metabolico della comunità microbica, la disponibilità di accettori di elettroni e inibitori del metabolismo microbico.In quanto preziosa risorsa energetica, perché P. oceanica deposita saccarosio nei propri sedimenti?Il rilascio di zuccheri da P. oceanica è probabilmente un meccanismo evolutivo per affrontare il metabolismo di overflow durante i periodi di alta produttività.Le fanerogame marine hanno sviluppato una ridotta capacità di produrre carboidrati strutturali, come la cellulosa, a favore del mantenimento di un ampio pool osmolitico di carboidrati non strutturali, come gli zuccheri, per compensare l'elevata salinità rispetto ai loro parenti terrestri46.Il rilascio di fotosintato in eccesso nei loro sedimenti sotto forma di saccarosio da parte delle fanerogame marine potrebbe anche fungere da valvola di troppo pieno quando i tassi di produzione superano la capacità di stoccaggio o quando l'azoto e il fosforo limitano la crescita.Nella maggior parte degli ambienti marini a ossigeno limitato, il rilascio di zuccheri da parte delle piante stimolerebbe la riduzione del solfato da parte dei microbi dei sedimenti portando all'accumulo di alte concentrazioni di solfuro, che è tossico per le radici delle fanerogame marine47,48,49.Tuttavia, mostriamo che la presenza di sostanze fenoliche limita la respirazione microbica degli zuccheri in queste condizioni di basso ossigeno.Ciò avrebbe il vantaggio selettivo che le fanerogame marine potrebbero depositare i loro fotosinteti in eccesso nei loro sedimenti, limitando la formazione di solfuro.Un altro vantaggio selettivo per P. oceanica nel rilascio di saccarosio è che probabilmente attrae partner microbici chiave che avvantaggiano la forma fisica delle piante all'interno della rizosfera delle fanerogame.Nelle piante terrestri, il saccarosio costituisce il 50% dei loro essudati durante le prime fasi di sviluppo.L'adescamento precoce della rizosfera della pianta con lo zucchero è fondamentale nella formazione delle comunità microbiche associate alle piante35.J. esp.Ecol.Ecol.Nat.Ecol.Ser.Annu.Nat.Ecol.Lett.J. esp.Ecol.Fisio.Sci.Nat.Nat.Nat.Annu.Proc.Natl.Accad.Sci.Proc.Natl.Accad.Sci.Proc.Natl.Accad.Sci.Nat.Ser.Nat.Nat.Nat.Nat.Nat.Biol.Nat.Biol.Biol.Evol.Nat.un.b.