Danmark får nyt atlas over naturens usynlige liv

Danske dyr og planter har vi rigtigt godt styr på. Det skyldes især Flora Danica fra 1700-tallet, der satte navn og form på rigets planter og gjorde den synlige natur til fælles viden.

Men den største del af naturens liv har vi aldrig haft et samlet overblik over. Mikroberne i jord og vand lader sig hverken presse som planter eller tegne i en bog, og i årtier har man derfor kunnet gætte på, hvor mange arter der findes – fra få tusinde til helt op mod milliarder.

Nu ligger der for første gang et konkret bud på, hvor mange bakteriearter der faktisk gemmer sig i den danske natur – baseret på verdens første systematiske, landsdækkende kortlægning af miljømikrobiomer i et helt land.

Hovedforfatterne bag kortlægningen er tilknyttet Aalborg Universitet, men for at kunne indsamle prøver fra hele landet har de allieret sig med det såkaldte Microflora Danica-konsortium, som spænder over omkring 50 forskellige forskere og private organisationer, der til daglig arbejder tæt på mikrobiomet.

Prøverne herfra har dannet grundlag for avancerede DNA-analyser, hvormed forskerne har kunnet indkredse antallet af gennemgående bakterier til omkring hundrede tusind arter, defineret ud fra genetisk slægtskab i deres DNA.

Dermed er det vidt åbne gæt erstattet af et tal, man kan regne videre på og bruge som fælles målestok. Samtidig viser analyserne, at en stor del af arterne aldrig før har været beskrevet, selv om de hele tiden har ligget skjult i jorden under vores fødder.

Projektet ledes af professorerne Per H. Nielsen og Mads Albertsen, begge fra Center for Microbial Communities på Aalborg Universitet. Per H. Nielsen har stået for koordineringen af den landsdækkende prøveindsamling blandt projektets mange samarbejdspartnere, mens Mads Albertsen er koordinator for Microflora Danica-konsortiet. For dem handler atlaset om at løfte mikroberne op på linje med den synlige natur og give dem en plads i det nationale naturbillede.

“Med Microflora Danica laver vi den første systematiske, landsdækkende kortlægning af mikroberne i et helt land. Det giver os for første gang et samlet billede af, hvilke mikroorganismer der faktisk er derude i landskabet,” siger Mads Albertsen.

Fra jordspyd til DNA: sådan blev mikroberne kortlagt

Microflora Danica begyndte med et logistisk storværk. Den kernegruppe af forskere på Aalborg Universitet, der stod bag projektet, satte det etablerede netværk i arbejde og fordelte opgaven ud i landet. SEGES tog sig af prøver fra marker og andre dyrkede arealer, forskere i Microflora Danica-konsortiet dækkede skove, kystklitter, heder, enge og søbredder, og naturkonsulenter med ansvar for særligt sårbare habitater indsamlede prøver i de mest kritiske naturtyper.

Tilsammen kom der på den måde prøver ind fra hele Danmark, dækkende både dyrkede og relativt uberørte naturtyper, og hver enkelt prøve blev fulgt af en detaljeret beskrivelse af det område, den stammede fra.

Prøverne blev taget på nogenlunde samme enkle måde overalt. Forskerne og deres samarbejdspartnere tog et jordspyd, stak det ned i det øverste jordlag, vrikkede jorden fri og skrabede en lille portion op.

Jorden blev lagt i en plastkop, som man kender fra lægens venteværelse, låget blev skruet på, og koppen blev mærket med sted og tidspunkt. Derefter røg den i en kølekasse sammen med de andre prøver, før turen gik videre til næste mark, næste skov, næste mose. Rutinen blev gentaget tusindvis af gange fra nord til syd og fra kyst til kyst, altid efter den samme opskrift, så forskellene i data senere ville afspejle naturen.

Når prøver bliver til kort: sådan læses mikrobernes spor

Tilbage i laboratoriet ændrede scenen sig. Kopperne blev åbnet, jorden blev behandlet, og DNA’et blev trukket ud af alt det liv, der gemte sig i prøverne. De genetiske spor blev oversat til lange strenge af bogstaver, som computere kunne læse og sortere.

For hver prøve kunne forskerne se, hvilke mikroorganismer der havde været til stede, og hvor ofte de samme arter dukkede op på tværs af de mere end ti tusind prøver – i praksis et overblik over, hvilke bakterier der er almindelige, og hvilke der kun findes få steder.

Når mønstrene fra alle prøverne blev lagt oven i hinanden, tegnede de et Danmarkskort over mikrobielle aftryk, der viste, hvilke arter der gik igen, og hvor naturen var særligt varieret.

Kontrasten til det historiske Flora Danica-projekt var tydelig. Dengang gik botanikerne ud med kurve og kasser, samlede planter ind én for én, bar dem hjem, pressede og tørrede dem og satte sig derefter ved bordet for at tegne hver eneste art i hånden. Alt tog tid, og hver illustration gav kun viden om en enkelt plante ad gangen, selv om arbejdet ofte strakte sig over dage og uger.

“Det var et kæmpe, manuelt arbejde at kortlægge bare en lille del af den synlige natur. Man fik smukke tegninger og et fantastisk værk, men man kom kun så langt, som håndkraften rakte,” siger Mads Albertsen.

I Microflora Danica betød jordspydet og DNA’et, at den samme indsats gav et helt andet udbytte. Hver gang en prøve blev taget, fulgte der spor af tusindvis af mikrober med hjem på én gang, som kunne trækkes ud af den samme håndfuld jord. Hvor Flora Danica langsomt byggede viden op art for art, gjorde de moderne metoder det muligt at løfte sløret for et helt mikrobielt samfund i ét hug.

“Det, der før tog årtier og alligevel kun gav et glimt af helheden, kan vi nu gøre på få år med langt større detaljegrad,” siger Mads Albertsen.

Tre nye indsigter: arter, landskab og kvælstof

Studiet giver et samlet og kvalificeret bud på omfanget af mikrobiomet i Danmark og har samtidig ført til tre konkrete hovedresultater: nye arter med navn, et tydeligere billede af forskellene mellem naturtyper og et ændret syn på de bakterier, der styrer kvælstofkredsløbet.

Den første indsigt knytter sig til de nye arter, som nu for første gang har fået navn og plads i atlaset. En stor del af de bakterier, Microflora Danica har afdækket, var helt ukendte for videnskaben. De har været til stede i jorden hele tiden, men uden identitet og uden mulighed for at blive genkendt i andre studier.

Derfor brugte forskerne en betydelig del af arbejdet på at navngive dem systematisk. Mads Albertsen forklarer, at uden et navn har man hverken et tydeligt holdepunkt at knytte viden til eller et fælles sprog at tale om arterne med.

Han løfter samtidig sløret for, hvordan han og kollegerne har grebet navngivningen an – arbejdet blev beskrevet i en separat publikation i Nature Microbiology og kåret af Ingeniøren som Årets Danske Forskningsresultat. Over tusind af de nye arter har fået navne med rødder i Danmark, så det er muligt at høre på navnet, hvor i landet de først blev fundet.

Så vidt muligt er bakterierne opkaldt efter de byer eller lokalområder, der ligger tæt på deres første kendte levested. I forbindelse med navngivningen lagde forskergruppen et interaktivt Danmarkskort ud på forskningsenhedens hjemmeside, hvor man kan tjekke, om en art er opkaldt efter ens by.

Nye arter får navn – og plads på livets træ

Et af de mest markante eksempler er Oederibacterium danicum, opkaldt efter botanikeren Georg Christian Oeder fra det oprindelige Flora Danica-projekt. Den bakterie dukkede kun op syv steder i de mere end ti tusind prøver og repræsenterer en helt ny gren på livets træ. Forskerne ved endnu ikke, hvilken rolle den spiller, men den illustrerer, hvor meget skjult mangfoldighed der nu er blevet synlig og kan undersøges videre.

Den anden indsigt handler om, hvordan bakterierne fordeler sig i landskabet. I skove, moser, enge og andre relativt uberørte områder viste prøverne, at de mikrobielle samfund ændrede sig markant fra sted til sted. Hver naturtype havde sin egen kombination af arter, og selv to skove kunne have tydeligt forskellige mikrobielle “fingeraftryk”, ligesom to områder kan have forskellige plante- og dyresamfund, selv om de umiddelbart ligner hinanden.

I det dyrkede landbrugsland var mønstret mere ens. Her dukkede de samme bakteriearter op over store arealer, og variationen var langt mindre. Atlaset gør det dermed muligt at se, hvordan vores brug af arealerne præger den usynlige del af biodiversiteten og skaber ensretning helt ned på mikrobielt niveau.

Den tredje hovedindsigt peger direkte ind i kvælstofkredsløbet, som er afgørende for både natur og landbrug. I Microflora Danica har forskerne især set på de bakterier, der står for de mange små trin, der gør kvælstof tilgængeligt for planterne – fra den form, der findes i jord og luft, til den form, planterne faktisk kan bruge – og senere sender det videre gennem systemet.

Her trådte helt nye bakteriegrupper frem, som ingen tidligere havde koblet til kvælstofkredsløbet, men som viste sig at være både udbredte og hyppige i den danske natur. Samtidig er nogle af de arter, man længe har regnet for centrale i processerne, så sjældne i prøverne, at deres rolle i modeller for kvælstofomsætning må genovervejes.

“Vi opdager nye grupper af bakterier, som ingen kendte før, og som tydeligvis er dybt involveret i kvælstofkredsløbet. Omvendt kan vi se, at nogle af dem, man troede var hovedaktører, næsten ikke er til stede ude i naturen. Det ændrer den måde, vi modellerer de her processer på, og det peger på nogle helt nye arter, vi skal forstå meget bedre fremover,” siger Mads Albertsen.

Kvælstofviden kan gøre gødning mere præcis og skånsom

Viden om de bakterier, der driver kvælstofkredsløbet, kan bruges til at ændre den måde, vi dyrker jorden på, vurderer Mads Albertsen.

Kortlægningen gør det muligt at se, hvilke mikrobielle samfund der binder kvælstof effektivt i jorden, og hvilke der slipper mere videre til vandmiljøet. De oplysninger kan bruges til at justere modellerne for gødningsforbrug – for eksempel hvor meget gødning der reelt er brug for på en mark – så udbyttet fastholdes eller forbedres, mens belastningen af naturen mindskes.

Det kan åbne for mere målrettede strategier, hvor man regulerer både mængden af gødning og de betingelser, der giver de mest ønskede mikrobielle samfund gode vilkår, siger han.

Samtidig giver Microflora Danica Danmark et mikrobielt udgangspunkt, som gør det muligt at følge, hvordan samfundet af bakterier ændrer sig i takt med, at klimaet bliver varmere, nye dyrkningsformer tages i brug, eller politiske aftaler som den grønne trepart lægger jorden om til mere vild natur.

“Vi kan vende tilbage til de samme områder om nogle år, tage nye prøver og sammenligne direkte med den tilstand, vi ser nu, og så se, hvilke grupper der går frem eller tilbage,” siger Mads Albertsen.

Den mikrobielle del af biodiversiteten reagerer ofte hurtigt på ændringer og kan derfor fungere som en tidlig indikator for, om udviklingen går i den ønskede retning. På den måde bliver atlaset både en statusmåling og et praktisk redskab til at planlægge og justere fremtidens indsatser for både landbrug og miljø, siger han.

Nu kortlægger forskerne svampe og nye enzymer

Microflora Danica er langt fra slutpunktet. Ét er at vide, hvilke bakterier der findes, og hvor de optræder. Noget andet er at forstå, hvor aktive de er, hvordan de samarbejder, og hvordan sammensætningen ændrer sig over tid. DNA-data fortæller, at en art har været til stede, og hvor udbredt den er, men ikke om den er aktiv eller blot “på standby”, eller hvad der får den til at trække sig tilbage.

Forskerne i Microflora Danica arbejder derfor allerede videre på flere spor. Ét er søsterprojektet MicroFungi, som skal kortlægge svampene i Danmark med samme grundighed, som bakterierne nu er blevet kortlagt.

Et andet er Microflora Danica Unique, hvor særligt særprægede lokaliteter bliver undersøgt for deres særegne mikrobielle samfund – blandt andet boblerevene ved Hirsholmene og sandet ved Råbjerg Mile samt andre unikke naturtyper.

Derudover har forskerne gennemført et masseeksperiment med omkring 30.000 skoleelever, der har taget prøver i nærheden af deres skoler og dermed været med til at udvide kortet.

Første runde af Microflora Danica fungerer som et fast udgangspunkt, et detaljeret billede af, hvordan de mikrobielle samfund ser ud i Danmark lige nu, indsamlet efter ensartede protokoller, der gør direkte sammenligninger over tid mulige.

Hvis forskerne senere får mulighed for at kortlægge de samme områder igen, kan de måle, hvad der konkret har flyttet sig, for eksempel som følge af den grønne trepart, mere vild natur eller andre ændringer i måden, vi bruger landskabet på.

Sideløbende arbejder andre forskergrupper og virksomheder, blandt andet Novonesis, videre med at bruge de mange DNA-sekvenser som en ressource i sig selv, blandt andet til at lede efter nye enzymer, der kan vise sig nyttige i industrien.

“Med Microflora Danica har vi nu et fælles referencepunkt for den mikrobielle biodiversitet i Danmark – et detaljeret øjebliksbillede, som gør det muligt at måle, hvor og hvordan sammensætningen ændrer sig, når klima, arealanvendelse og naturforvaltning ændres over tid,” siger Mads Albertsen.