为什么科学家想要解开微生物生活的地下之谜
这种飞木耳（Amanita muscaria）蘑菇是北半球常见的一种标志性真菌，它是由生活在许多不同树木和灌木根部的菌根真菌产生的。图片来源：Lubo Ivanko/iStock
为什么科学家想要解开微生物生活的地下之谜
波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员开发了首个模型来预测哪些土壤生物物种生活在不同的环境中，这对农业、气候变化和公共卫生有着巨大的影响
虽然看起来没有生命，但我们脚下的土壤却充满了活力。它充满了无数的微生物，它们积极地分解有机物，比如落叶和植物，并执行一系列其他功能，维持我们地下储存的碳和营养物质的自然平衡。
土壤微生物学家、波士顿大学艺术与科学学院生物学助理教授Jennifer Bhatnagar说：“土壤主要是微生物，有活的也有死的。”她说，在一撮离地的土壤中，通常可以看到几百种不同类型的真菌和细菌，这使它成为现存最多样化的生态系统之一。
因为对土壤微生物还有很多未知的地方，直到现在，科学家们还没有试图预测世界上某些物种或土壤微生物群生活在哪里。但是了解这些微生物——它们太小，肉眼无法看到——是更好地理解土壤微生物群的关键，土壤微生物群是由生活在一起的不同微生物群落组成的。
包括Bhatnagar在内的一组波士顿大学生物学家接受了这一挑战，他们的澳门威尼斯人注册网站研究首次表明，准确预测世界不同地区不同种类土壤微生物的丰度是可能的。该团队最近在《自然生态与进化》的一篇新论文中发表了他们的发现。
Bhatnagar说：“如果我们知道生物在地球上的位置，我们知道它们是如何因不同的环境力量而随空间和时间变化的，以及不同物种的行为，那么我们就可以更好地预测这些群落的功能将如何在碳和营养循环方面发生变化。”这种知识将对农业、气候变化和公共卫生产生巨大影响。
“土壤的健康与土壤微生物密切相关，”该澳门威尼斯人注册网站研究的资深作者、波士顿大学艺术与科学学院地球与环境教授迈克尔·迪茨说。Dietze、Bhatnagar和他们实验室的澳门威尼斯人注册网站研究人员联手开展了这个项目，其中包括分析国家生态观测网络（NEON）澳门威尼斯人注册网站研究站点收集的数百个土壤样本。Bhatnagar和她的实验室成员为团队带来了他们的土壤专业知识，而Dietze和他的实验室则提供了他们独特的能力，可以进行精确的生态预测和近期环境预测。
澳门威尼斯人注册网站研究小组了解到，随着空间面积的增加，微生物的可预测性也会增加，因此，他们的模型所预测的土地面积越大，对那里生活的微生物类型的预测就越有可能准确。
Dietze说，准确预测在给定的土壤样本中可能发现哪些微生物的能力也随着澳门威尼斯人注册网站研究人员在系统发育尺度（一种基于进化亲缘关系对生物进行分类的系统）上观察生物分组而提高。在最小的一端，一个“物种”代表了最好的分类水平；另一方面，一个“门”构成了最大和最多样化的生物群。他们惊讶地发现，他们能够更好地预测整个门的存在，而不是单个物种。
在从NEON接收到土壤样本的基因组数据后，澳门威尼斯人注册网站研究小组的预测模型考虑了土壤来源的特定环境因素——植物生长在那里，土壤酸度（pH），温度，气候和许多其他因素。他们发现，基于微生物与当地植物物种的共生关系，他们的模型最能预测微生物的存在。例如，菌根真菌是一种非常常见的土壤微生物，大约90%的植物家族都与之有关，包括新英格兰的松树和橡树。
相比之下，澳门威尼斯人注册网站研究小组发现，根据它们与土壤酸度的关系来预测大型生物群要困难得多。Bhatnagar说，尽管知道土壤酸度水平，以及什么类型的细菌通常喜欢生活在这种环境中，但他们的模型无法准确预测土壤样本中实际存在的细菌数量。她说：“这意味着除了与[酸度]的关系之外，还有其他一些东西，超出了与我们通常在生态系统中测量的任何其他环境因素的关系。”
现在，Dietze和Bhatnagar的团队正在扩大他们的预测范围，而不仅仅是根据它们的位置来预测微生物，还包括一年中的特定时间。
“在美国各地建立一个预测土壤微生物组的框架，将提高我们对季节和年际变化的理解，”在Bhatnagar实验室工作的博士生、该论文的作者之一佐伊·维尔宾（Zoey Werbin）说。“这可以帮助我们预测气候变化如何影响分解或氮循环等微生物过程。”
在她的论文项目中，Werbin希望回答有关土壤微生物群如何以及为什么随时间和空间变化的基本问题。
“我们了解得越多，就越意识到土壤微生物对农业、公共卫生和气候变化的重要性。澳门威尼斯人注册网站研究微生物如何产生如此大规模的影响真的令人兴奋，”Werbin说。“我们知道某些因素，比如温度和湿度，会影响微生物群落。但我们不知道这些因素与自然变异性或微生物之间的相互作用相比有多重要。我的博士项目将有助于确定土壤微生物组的驱动力，以及最大的不确定性来源。”
这项工作由美国国家科学基金会和瑞士国家科学基金会资助。
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