Informasi

Lanskap Peluang untuk Penelitian Ekologi Mikroba

Lanskap Peluang untuk Penelitian Ekologi MikrobaMikroba mencakup keanekaragaman hayati yang luar biasa, memberikan dukungan bagi semua bentuk kehidupan, termasuk manusia, dan memainkan peran penting dalam banyak jasa ekosistem.

Lanskap Peluang untuk Penelitian Ekologi Mikroba

 Baca Juga : Mempelajari Mikrobiologi Lingkungan Dalam Ruangan

hospitalmicrobiome – Aturan yang mengatur perakitan komunitas mikroorganisme semakin terungkap karena kemajuan utama dalam metode molekuler dan analitik tetapi pemahaman mereka tetap menjadi tantangan utama dalam ekologi mikroba. Keberadaan pola biogeografi dalam komunitas mikroba telah ditetapkan dan dijelaskan dalam kaitannya dengan proses skala lanskap, termasuk seleksi, drift, penyebaran dan mutasi. Pengaruh tambal sulam habitat pada aturan perakitan mikroorganisme tetap ada meskipun tidak sepenuhnya dipahami. Di sini, kami meninjau bagaimana prinsip-prinsip ekologi lanskap dapat diadaptasi untuk mengeksplorasi perspektif baru tentang mekanisme yang menentukan struktur komunitas mikroba.

Untuk memberikan gambaran umum, kami mengkarakterisasi lanskap mikroba, skala spasial dan temporal dari mekanisme yang mendorong perakitan mikroba dan umpan balik antara mikroorganisme dan struktur lanskap. Kami memberikan bukti untuk efek heterogenitas lanskap, fragmentasi lanskap, dan dinamika lanskap pada struktur komunitas mikroba, dan menunjukkan bahwa prediksi yang dibuat untuk organisme makro setidaknya sebagian juga berlaku untuk mikroorganisme. Kami menjelaskan mengapa pendekatan komunitas meta yang muncul dalam ekologi mikroba harus mencakup karakterisasi eksplisit struktur lanskap dalam pengembangan dan interpretasinya. Kami juga menjelaskan bagaimana interaksi biotik, seperti kompetisi, mangsa-predator atau hubungan mutualis dapat mempengaruhi lanskap mikroba dan mungkin terlibat dalam proses umpan balik yang disebutkan di atas. Namun, kami berpendapat bahwa penerapan ekologi lanskap ke dunia mikroba tidak bisa begitu saja melibatkan pemindahan kerangka teoretis yang ada.

Ini karena kekhasan organisme ini, dalam hal ukuran, waktu generasi, dan untuk beberapa di antaranya, interaksi yang erat dengan inang. Karakteristik ini menyiratkan berurusan dengan ruang dan skala waktu efek yang tidak biasa dan bergantung. Proses evolusi juga sangat penting dalam respons mikroorganisme terhadap lanskap mereka. Terakhir, aktivitas dan distribusi mikroorganisme menyebabkan efek umpan balik pada lanskap yang harus diperhitungkan. Transposisi kerangka ekologi lanskap ke mikroorganisme memberikan banyak arah penelitian yang menantang untuk ekologi mikroba. Ini karena kekhasan organisme ini, dalam hal ukuran, waktu generasi, dan untuk beberapa di antaranya, interaksi yang erat dengan inang.

Karakteristik ini menyiratkan berurusan dengan ruang dan skala waktu efek yang tidak biasa dan bergantung. Proses evolusi juga sangat penting dalam respons mikroorganisme terhadap lanskap mereka. Terakhir, aktivitas dan distribusi mikroorganisme menyebabkan efek umpan balik pada lanskap yang harus diperhitungkan. Transposisi kerangka ekologi lanskap ke mikroorganisme memberikan banyak arah penelitian yang menantang untuk ekologi mikroba. Ini karena kekhasan organisme ini, dalam hal ukuran, waktu generasi, dan untuk beberapa di antaranya, interaksi yang erat dengan inang. Karakteristik ini menyiratkan berurusan dengan ruang dan skala waktu efek yang tidak biasa dan bergantung.

Proses evolusi juga sangat penting dalam respons mikroorganisme terhadap lanskap mereka. Terakhir, aktivitas dan distribusi mikroorganisme menyebabkan efek umpan balik pada lanskap yang harus diperhitungkan. Transposisi kerangka ekologi lanskap ke mikroorganisme memberikan banyak arah penelitian yang menantang untuk ekologi mikroba. Proses evolusi juga sangat penting dalam respons mikroorganisme terhadap lanskap mereka. Terakhir, aktivitas dan distribusi mikroorganisme menyebabkan efek umpan balik pada lanskap yang harus diperhitungkan.

Transposisi kerangka ekologi lanskap ke mikroorganisme memberikan banyak arah penelitian yang menantang untuk ekologi mikroba. Proses evolusi juga sangat penting dalam respons mikroorganisme terhadap lanskap mereka. Terakhir, aktivitas dan distribusi mikroorganisme menyebabkan efek umpan balik pada lanskap yang harus diperhitungkan. Transposisi kerangka ekologi lanskap ke mikroorganisme memberikan banyak arah penelitian yang menantang untuk ekologi mikroba.

Mikroorganisme merupakan bagian terbesar dari keanekaragaman hayati. Ada 100 juta kali lebih banyak bakteri di lautan (13 × 10 2 8) daripada jumlah bintang di alam semesta yang diketahui [Editorial Nature Review in Microbiology,. Kelimpahan yang menakjubkan dari mikroorganisme di bumi memainkan peran sentral dalam siklus biogeokimia unsur , mempengaruhi kesuburan tanah, dekomposisi bahan organik dan penyimpanan karbon.

Mikroorganisme juga diperlukan untuk menopang semua makroorganisme hidup, termasuk manusia , karena mereka terlibat dalam nutrisi, kesehatan, reproduksi, dan perilaku inangnya. Akibatnya, mereka memastikan sebagian besar layanan ekosistem diberikan kepada masyarakat kita. Namun, mikroorganisme menunjukkan heterogenitas spasial yang substansial. Hal ini menimbulkan pertanyaan tentang bagaimana distribusi mikroba tergantung pada komponen yang berbeda dari perakitan komunitas, hubungannya dengan teori niche dan mekanisme koeksistensi, dan bagaimana perakitan komunitas terkait dengan fungsi dan fungsi ekosistem mikroba ini.

Penggerak kumpulan mikroorganisme sejauh ini sebagian besar telah dianalisis pada skala patch, dengan asumsi bahwa relung spesies dihasilkan dari pengaruh lingkungan abiotik pada pemilihan spesies, gangguan atau interaksi biotik di antara organisme mikroba, atau dengan inangnya dan mengabaikan efek penyebaran. Karena mikroorganisme memiliki kapasitas reproduksi yang sangat tinggi dan waktu generasi yang singkat, pandangan historis “ segala sesuatu ada di mana-mana tetapi lingkungan memilih ” telah diterima sejak lama. Kemajuan dalam resolusi komposisi komunitas mikroba yang diperoleh dari sekuensing massal dan studi distribusi mikroba skala besar memberikan peningkatan jumlah bukti bahwa mikroorganisme jauh lebih terbatas dalam penyebarannya daripada yang diduga sebelumnya. Kerangka kerja berdasarkan biogeografi skala besar telah berhasil digunakan untuk memahami pola spasial spesies dalam skala besar.

Kerangka kerja ini menganggap bahwa perakitan komunitas di patch lokal yang dianggap sebagai “pulau” hasil dari proses kolonisasi dan kepunahan, kedua proses tersebut terkait dengan ukuran dan jarak patch ke sumber patch (“benua”). Pendekatan implisit spasial yang dibangun di atas teori biogeografi pulau dari MacArthur dan Wilson (1967) adalah titik awal yang berguna untuk mempertimbangkan bagaimana penyebaran dapat mempengaruhi perakitan komunitas di tingkat lanskap, dimulai pada satu spesies, untuk berkumpul dengan beberapa spesies. Metakomunitas terdiri dari kumpulan komunitas yang terhubung melalui penyebaran. Dengan demikian, empat proses utama dapat mendorong variasi komunitas dalam ruang, yaitu seleksi spesies (termasuk faktor abiotik dan biotik), spesiasi (analog dengan mutasi dalam genetika populasi), penyebaran dan pergeseran ekologis.

Pendekatan alternatif untuk dinamika spasial dalam ekologi muncul sekitar 30 tahun yang lalu dalam bentuk ekologi lanskap. Ekologi lanskap berfokus secara khusus pada analisis eksplisit pola ekologi spasial dan telah menentukan konseptualisasi apa itu lanskap , dan menyediakan alat untuk menganalisis bagaimana proses spasial memengaruhi kumpulan keanekaragaman hayati, dengan fokus terutama pada tumbuhan dan hewan. Struktur lanskap, dijelaskan melalui metrik yang berbeda pada skala lanskap (yaitu, heterogenitas) atau skala habitat (yaitu, fragmentasi), telah terbukti mempengaruhi penyebaran, dan eksploitasi habitat lokal selama siklus hidup organisme, tetapi juga ketersediaan habitat untuk spesies perkembangan dan pergerakan antar patch lokal . Kedua jenis metrik ini – heterogenitas lanskap dan fragmentasi mempengaruhi kelimpahan dan komposisi spesies. Namun, penelitian ekologi lanskap sebagian besar terkonsentrasi pada makroorganisme dan kompartemen mikroba tetap dipelajari di bawah kerangka kerja ini.

Menerapkan prinsip-prinsip ekologi lanskap untuk mikroorganisme, sampai saat ini, lambat berkembang karena pemahaman kami yang terbatas tentang persyaratan habitat mikroba, kesulitan yang terlibat dalam mengamati pergerakan mikroorganisme dan kapasitas kami yang terbatas untuk melakukan survei luas distribusi mikroba. Penentuan komposisi komunitas mikroba juga sulit karena komunitas mikroba bisa sangat kompleks dan perlu dipelajari dengan pendekatan sekuensing massal.

Dari sifat data yang digunakan, penggambaran urutan spesies mikroba juga diperlukan dan adopsi konsep spesies filogenetik yaitu, “ kelompok organisme individu terkecil yang dapat didiagnosis di mana terdapat pola nenek moyang dan keturunan. ” tersirat. Setelah menggunakan cutoff identitas urutan untuk mengidentifikasi Unit Taksonomi Operasional, kemajuan bioinformatika terbaru sekarang memungkinkan menghindari penggunaan cutoff buatan ini yaitu, cluster-urutan dan Varian Urutan Amplicon dan tentukan taksa pada butir yang lebih tipis. Resolusi yang lebih baik dalam deskripsi komunitas ini memberikan dasar untuk menguji konsep ekologi baru seperti ekologi lanskap. Penerapan ekologi lanskap ke dunia mikroba juga membutuhkan karakterisasi lanskap di mana mikroba hidup.

Lanskap tersebut dapat berupa kumpulan tipe habitat yang berbeda dengan kondisi lingkungan yang bervariasi, tetapi juga dapat menjadi kumpulan inang yang tersedia untuk kolonisasi mikroba. Lanskap “biotik” ini kemudian dapat didorong oleh perilaku dan pertumbuhan organisme makro yang menjadi inang bagi mikroorganisme, dan bergantung pada respons inang ini terhadap karakteristik lanskap mereka sendiri. Terakhir, lanskap mikroba dapat berada di dalam inang, sesuai dengan situs anatomi yang berbeda di dalam tubuh, dan bahkan di dalam setiap organ, memberikan tambalan yang bervariasi dalam kondisi lingkungannya. Selain itu, mikroorganisme individu berinteraksi dengan fitur dan volume permukaan nano dan mikro. Lanskap skala kecil yang tidak biasa harus dipertimbangkan karena ukuran mikroorganisme yang sangat kecil.

Dalam lanskap skala mikro ini seperti di lingkungan terestrial atau perairan, distribusi mikroorganisme terkait erat dengan heterogenitas patch. Namun, sebagian besar penulis tidak mendasarkan pekerjaan mereka dalam kerangka ekologi lanskap, dan baru-baru ini ekologi mikroba mengembangkan integrasi eksplisit prinsip-prinsip ekologi lanskap untuk memahami pendorong distribusi mikroba. Karena kekhususan mikroba ini definisi spesies, penyebaran, respons terhadap heterogenitas biotik, dan respons skala kecil terhadap lingkungan transposisi kerangka teoretis yang ada dalam ekologi lanskap untuk menganalisis aturan perakitan mikroorganisme kemungkinan tidak langsung.

Tujuan dari tinjauan ini adalah untuk menyelidiki bagaimana konsep ekologi lanskap dapat diterapkan pada dunia mikroba, untuk memajukan pemahaman kita tentang dunia ini dan untuk menunjukkan bagaimana mikroorganisme dapat digunakan sebagai model baru untuk menguji dan memperluas kerangka ekologi lanskap yang ada. Kami memperhitungkan ekosistem perairan, daratan, dan laut, serta semua jenis interaksi mikrobiota inang, mulai dari mikroorganisme yang hidup bebas hingga mikroorganisme yang terkait dengan tanaman, hewan, dan manusia. Virus dikeluarkan dari ruang lingkup makalah karena ukurannya yang sub-mikroskopis. Jika ada alasan kuat tentang pentingnya virus untuk asal usul sel dan diversifikasi, ada bukti yang menentang gagasan bahwa virus itu hidup. Penyebaran, perubahan genetik, dan perbanyakan mereka ditentukan oleh batasan spesifik yang tidak dikembangkan di sini.

Distribusi spesies dapat dikaitkan dengan ketidakrataan lingkungan melalui cara kondisi abiotik (atau biotik) didistribusikan di ruang angkasa. Konsekuensi dari ketidakrataan lingkungan tersebut pada proses ekologi termasuk perakitan spesies dapat dianalisis menggunakan model konseptual lanskap yang berbeda . Model konseptual pertama, dan sederhana yang diturunkan dari teori biogeografi pulau, menganggap bahwa patch habitat yang identik (yaitu, sesuai dengan relung yang menguntungkan) tertanam dalam matriks non-habitat yang berbeda.

Dalam pandangan pertama ini, lanskap dicirikan oleh metrik yang mengkuantifikasi jumlah patch yang menguntungkan atau isolasinya, dengan anggapan bahwa lanskap lainnya tidak bertindak berdasarkan kumpulan spesies. Model patch-matrix kemudian dengan cepat diperluas ke model lanskap mosaik dengan memasukkan mosaik habitat yang terdiri dari lanskap, dan yang dapat dianggap terdiri dari habitat yang kurang lebih menguntungkan untuk pengembangan. Spesies memang berpotensi bergantung pada patch habitat yang berbeda untuk siklus hidup mereka sebagai contoh untuk hewan, yang tahap juvenilnya bergantung pada satu tipe habitat tertentu dan tahap dewasa pada yang lain. Mereka juga dapat mengandalkan habitat alternatif untuk perkembangan mereka .

Mosaik bentuk patch juga menyebar dengan bertindak pada permeabilitas lanskap terhadap pergerakan spesies. Dalam visi kedua ini, lanskap dicirikan oleh metrik yang mengukur heterogenitasnya dalam hal komposisi patch, yang menentukan jenis, kekayaan, dan kelimpahan relatif dari patch yang berbeda. Heterogenitas konfigurasi mendefinisikan pengaturan dalam ruang patch yang berbeda dan terkait dengan metrik yang mengukur fitur seperti ukuran patch, agregasi, jenis antarmuka di antara patch. Model konseptual terakhir baru-baru ini muncul, model kontinum, mengingat lanskap adalah kombinasi dari beberapa gradien lingkungan yang berkelanjutan alih-alih tambalan diskrit. Untuk model ini, metrik yang digunakan untuk menggambarkan lanskap bersifat kontinu, dan dapat mengintegrasikan sebagian respons spesies terhadap gradien lingkungan ini melalui, misalnya, tingkat kesesuaian antara kondisi abiotik dan persyaratan ekologi spesies.

Sebagian besar studi mikroba berdasarkan ekologi lanskap didasarkan pada model matriks-tambalan, sedangkan model mosaik hanya digunakan dalam kasus-kasus tertentu di mana tambalan sangat heterogen, atau di mana tambalan diskrit sesuai dengan inang yang berbeda. Korelasi antara faktor lingkungan dan komposisi komunitas mikroba telah dipelajari secara ekstensif . Meskipun umumnya menyiratkan model konseptual kontinum, pola-pola ini belum terhubung dengan baik ke teori yang mendasari di balik model konseptual lanskap. Kami meninjau bukti efek lanskap yang ada di bagian “Pengaruh Heterogenitas Mosaik Lanskap dan Fragmentasi Habitat pada Mikroorganisme” di bawah ini.