PNAS | 生态系统普查揭示了隐藏的微生物组环境库！

植物和动物都是数十种到数千种不同微生物的宿主，统称为微生物组。它们对我们的食物进行新陈代谢，对污染物进行解毒并帮助抵御疾病。微生物还占据了我们周围的每一个栖息地，并运行着维持我们呼吸的空气、我们饮用的水以及我们脚下的土壤的机器。尽管它们很重要，但大多数植物和动物的微生物组一般不在出生时存在，而是后天获得的。但从哪里获得？如果不在宿主体内，微生物又生活在哪里？

2022年8月12日，国际权威学术期刊PNAS发表了夏威夷大学马诺阿分校Anthony Amend（ISME | 夏威夷大学研究揭示环境因素和共生位置决定植物微生物群落组成！）团队最新相关研究成果，题为A ridge-to-reef ecosystem microbial census reveals environmental reservoirs for animal and plant microbiomes的研究论文。在一次实地考察中，该研究团队收集了夏威夷瓦胡岛威美亚山谷整个流域的3000多个微生物和微生物组的样本。他们的调查揭示了三个关键的发现：微生物遵循食物网，流域内的大部分微生物多样性都维持在土壤和溪水中，一种微生物的局部分布预测了它的全球分布。

研究人员进行了一次微生物组的"生物突击"，对流域内的所有环境基质和微生物的可能宿主进行了近乎全面的普查。他们从潮湿山顶、山谷的低洼洪泛区，甚至海湾的清澈水域采集样品。研究人员收集了土壤；溪流和海水；动物，包括老鼠、小龙虾、蚊子和海胆；以及植物，包括树木、蕨类植物和藻类；以及更多的样品。他们提取并测序了超过8亿个微生物DNA"条形码"，以确定哪些微生物存在于哪里。

图1. 在瓦胡岛的威美亚流域内取样

当研究小组评估在哪里发现了最大的微生物多样性，在哪里发现了较少的物种，其结构遵循食物网：土壤和水中有许多类型，植物中较少，动物中更少。此外，在动物中发现的微生物往往是与植物相关的微生物的一个子集，而植物上的微生物往往是土壤、水和沉积物中的微生物的一个子集。这就像植物从环境中组装它们的微生物组，然后动物从植物中选择它们的微生物组。生物体的微生物组一般是食物链上较低的那些微生物组的子集。组建微生物组的一个明显手段是从相关的宿主那里获得微生物，例如，人类母亲与婴儿分享她的微生物组。

然而，这种模式不足以维持整个动态景观中的微生物组，许多植物和动物都是稀疏的、季节性的或短暂的，要求它们的共生微生物能够时常居住在附近的备用宿主或环境中。研究人员发现，土壤、沉积物和水作为微生物多样性的库：为微生物提供环境等待室，以便在宿主可用时对其进行定殖。

图2. 环境样本对流域微生物组的新型多样性贡献最大

另一个关键发现是，一个微生物物种的本地分布预测了它的全球分布。只在威美亚山谷的一两种生物或环境中出现的微生物不太可能在全球范围内广泛传播。一些微生物在威美亚广泛存在，据推测它们可以适应各种宿主和栖息地。科研人员的分析表明，这些通用的微生物也是在全球不同的栖息地中最广泛地被回收的。

图3. 跨生境和营养级的微生物群落分化

图4. 局部样本的广度预测了微生物的全球分布

植物和动物都需要微生物来保持健康。最近的工作照亮了景观规模的微生物组的多样性和分布，夏威夷流域的独特结构和栖息地多样性使这种方法成为可能。了解生态系统中共享微生物多样性的来源，使我们能够更好地了解共生微生物的起源和组装过程，以及它们在保护生物多样性和生态系统服务方面的作用。如果想在一个地区恢复本地植物和动物，就可能需要考虑为它们的微生物组恢复来源环境。微生物是生物体与环境联系的另一种方式。

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