Nature Ecology & Evolution | 为什么科学家想解开微生物在哪里生活的地下之谜？

虽然它可能看起来没有生命，但我们脚下的土壤是非常有活力的。它充满了无数的微生物，它们积极地分解有机物，如落叶和植物，并执行一系列其他功能，以维持储存在我们脚下地面的碳和养分的自然平衡（微生物和碳循环；微生物和氮循环；“少肥多产”不是梦；Nature Communications | 微生物多样性驱动土壤碳利用）。在地面上的一撮土壤中，通常会看到几百种不同类型的真菌和细菌，这使得土壤成为存在的最多样化的生态系统之一。由于对土壤有机体仍有许多未知之处，直到现在，科学家们还没有尝试预测某些物种或土壤微生物群体在世界各地的生活情况。但是，拥有关于这些生物的知识（这些生物太小，用肉眼无法看到），是更好地理解土壤微生物组的关键，土壤微生物组是由生活在一起的不同微生物群落组成的。土壤的健康与土壤微生物息息相关。如果知道它们在地球上的位置，知道它们如何因不同的环境力量而在空间和时间上发生变化，以及关于不同物种正在做什么，那么就可以更好地预测这些群落的功能在碳和营养循环方面将如何变化。这种知识将对农业、气候变化和公共健康产生巨大影响（生活在地下的细菌能否有助于应对气候变化？真菌如何帮助植物应对全球气候变化？真菌如何应对全球变暖所带来的干旱胁迫？Nature Food | 墨尔本大学贺纪正团队综述土著作物微生物组对可持续农业的潜力！Nature Food | 苏黎世大学研究揭示增加土壤微生物多样性是提高作物产量的关键！）。

近期，国际权威学术期刊Nature Ecology & Evolution发表了美国波士顿大学Jennifer Bhatnagar和Michael Dietze团队的最新相关研究成果，题为Soil microbiome predictability increases with spatial and taxonomic scale的研究论文。Dietze、Bhatnagar和他们实验室的研究人员共同参与了这个项目，其中包括分析由美国国家生态观测网络（NEON）研究地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开发精确的生态预测和近期环境预测的独特能力。该研究小组的研究结果首次揭示有可能准确预测世界不同地区不同种类的土壤微生物丰度。

研究小组了解到，微生物的可预测性随着空间面积的增加而增加，因此他们的模型对土地的预测越大，对生活在那里的微生物类型预测就越可能是准确的。准确预测哪些微生物可能在给定的土壤样本中被发现的能力也随着研究人员在系统发育尺度上更高的生物群落而增加，系统发育尺度是一个基于进化相关性的生物分类系统。在尺度的最小一端，"种"代表了最好的分类水平；在另一端，"门"构成了最大和最多样化的生物群。科研人员惊讶地发现，相对于单个物种，他们更能预测整个门的存在。

在收到NEON的土壤样本基因组数据后，研究小组的预测模型考虑到了土壤来源地的特定环境因素：什么植物生活在那里，土壤酸度（pH值），温度，气候，以及其他许多因素。他们发现他们的模型最能根据微生物与当地植物物种的共生关系来预测它们的存在。例如，菌根真菌是一种非常常见的土壤微生物，大约90%的植物家族都与之相关，包括新英格兰的松树和橡树。相比之下，研究小组发现，根据它们与土壤酸度的关系来预测大群体的生物是比较困难的。尽管知道土壤酸度水平，以及哪些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。这意味着在与酸度的关系之外，在与通常在生态系统中测量的任何其他环境因素的关系之外，还有其他东西。

图1：可预测性如何作为分类学规模的函数而变化？

图2：可预测性如何随着空间尺度的变化而变化？

图3：可预测性和空间尺度

图4：可预测性和分类学规模

图5：美国大陆土壤真菌和细菌的平均预测性

现在，Dietze和Bhatnagar的团队正在扩大他们的预测范围，不仅仅是根据微生物的位置进行预测，还包括一年中的特定时间。建立一个预测美国各地土壤微生物组的框架，将提高人们对季节性和年际变化的理解，这可以帮助人们预测气候变化会如何影响微生物过程，如分解或氮循环。希望能回答关于土壤微生物组如何以及为什么随时间和空间变化的基本问题。

我们学得越多，就越能意识到土壤微生物对农业、公共卫生和气候变化有多么重要。研究微小的生物体如何能够产生如此大规模的影响，虽然我们知道某些因素，如温度和湿度，会影响微生物群体。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。未来的研究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。

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