在通過減少全球溫室氣體(GHG)排放來遏制氣候變化的努力中，解凍永久凍土帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。這些嵌入北極土壤中的冷凍有機物儲存庫是地球上主要的(約15億噸)碳儲存庫之一。關于永久凍土的持久關注之一是，隨著全球氣溫上升，正如未來幾個世紀預測的那樣，土壤可能完全解凍。該事件有可能以強效溫室氣體二氧化碳(CO 2)和甲烷的形式釋放這種碳，從而導致通過單一地面過程轉移到大氣中的碳的最大貢獻。

為了幫助理解控制的有機物質(zhì)轉化為二氧化碳的過程2和甲烷，從能源聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)，由美國勞倫斯伯克利國家實驗室管理的美國能源部科學辦公室的用戶設備的美國能源部的科學家報告了應用多種分子技術統(tǒng)稱為“組學”，以更好地表征微生物活動在2015年3月4日在線發(fā)表在“ 自然 ”雜志上的論文中。該團隊還包括來自伯克利實驗室地球科學部門，太平洋西北國家實驗室(PNNL)和美國地質(zhì)調(diào)查局的成員。球隊試圖確定微生物群落的組合物以及它們在多年凍土降解有機碳和隨后的生產(chǎn)CO的角色2和甲烷。

來自PNNL的微生物生態(tài)學家Janet Jansson帶領團隊調(diào)查了三種類型的阿拉斯加土壤，從完全解凍到完全冷凍。宏基因組學(MG)或環(huán)境基因組學使研究人員能夠識別系統(tǒng)發(fā)育 - 即社區(qū)微生物成員的生物譜系歷史，以及功能基因組成。Metatranscriptomics(MT)允許團隊確定表達哪些基因。最后，元蛋白質(zhì)組學(MP)提供了關于實際產(chǎn)生哪種蛋白質(zhì)的見解。

比較各種土壤中的微生物活動

為永久凍土研究收集的數(shù)據(jù)令人印象深刻。“這些分析共同產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，包括84.2 Gb [十億個核苷酸堿基]的MG序列，20.4 Gb的MT序列和大約7,000個蛋白質(zhì)，這是迄今為止任何土壤類型獲得的最高產(chǎn)量之一，”球隊報道。

在這項研究中，研究人員依靠在阿拉斯加收集的土壤核心，專注于他們的細菌和古細菌。隨著DOE JGI調(diào)動其全面的測序方法和數(shù)據(jù)分析工具，研究小組研究了這些微生物在完整的永久凍土中，在凍結和凍融的凍土上方的活動層，以及在其他土壤中，包括代表終端的坍塌的熱巖溶沼澤解凍狀態(tài)。

來自三種土壤的MG，MT和MP數(shù)據(jù)的比較提供了對組學數(shù)據(jù)和元素循環(huán)途徑之間的聯(lián)系的深入了解。在熱巖溶沼澤中，他們發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)量最高，并確定了該途徑中涉及的幾種微生物。另外，在MG數(shù)據(jù)集和MP數(shù)據(jù)集中的相應蛋白質(zhì)中檢測到參與產(chǎn)甲烷作用的幾個基因。確定了三個產(chǎn)甲烷菌基因組草圖，并且與測序甲烷生產(chǎn)者的比較表明這些是先前未描述的微生物。

研究小組發(fā)現(xiàn)活性層的微生物種類多于其他土壤，最活躍的基因參與氮，鐵和甲烷循環(huán)。在永久凍土樣品中，盡管表達的基因較少且檢??測到的蛋白質(zhì)較少，但他們發(fā)現(xiàn)許多蛋白質(zhì)是允許微生物耐受寒冷環(huán)境的蛋白質(zhì)，比活性層和沼澤樣品中發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)更多。他們還發(fā)現(xiàn)永久凍土中的蛋白質(zhì)表明一些微生物可以四處移動，蛋白質(zhì)也可以作為甲烷氧化等途徑。后一發(fā)現(xiàn)表明RNA和蛋白質(zhì)已經(jīng)在冷凍環(huán)境中保存，或者具有這些功能的微生物僅在零度以下的條件下處于休眠狀態(tài)?；蛘?，它們可能代表永久凍土中的物理活躍微生物，

在阿拉斯加建立微生物群落模型

這項工作建立在DOE JGI和Jansson之前合作的基礎上。在2011年11月6 日出現(xiàn)在“ 自然”雜志上的該研究中，通過環(huán)境基因組學研究確定了一種新型產(chǎn)甲烷菌的基因組草圖，該研究的重點是阿拉斯加土壤核心，其中既包含活性層，又包含永久凍結的土壤。

Jansson及其同事所做的工作只是阿拉斯加能源部正在進行的一項生態(tài)系統(tǒng)研究。通過位于 阿拉斯加州巴羅的下一代生態(tài)系統(tǒng)實驗(NGEE Arctic)項目，一個由學術機構和國家實驗室組成的聯(lián)盟正在開發(fā)一個流程驅(qū)動的生態(tài)系統(tǒng)模型，使研究人員能夠更好地預測氣候變化中北極生態(tài)系統(tǒng)的演變。Jansson目前正在DOE JGI領導一個社區(qū)科學計劃項目，為NGEE Arctic項目收集的樣本進行測序。

本研究得出的見解揭示了溫室氣體釋放中涉及的微生物過程，可能是溫度變化的結果。團隊保持更好地理解這些過程，以生成更準確的模型，從而預測環(huán)境后果。