對于土壤微生物學(xué)來說，這是最好的時期。雖然沒有人進(jìn)行過準(zhǔn)確的人口普查，但一勺土壤中仍有數(shù)千億的微生物細(xì)胞，包括數(shù)千種物種。“它是地球上最多樣化的微生物棲息地之一，但我們對居住在土壤中的微生物的身份和功能知之甚少，”密歇根州立大學(xué)微生物生態(tài)中心杰出教授Jim Tiedje說。Tiedje，以及美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)和勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的密歇根州立大學(xué)同事和合作者，發(fā)表了迄今為止2014年3月10日發(fā)布的最大的土壤DNA測序工作。 美國國家科學(xué)院院刊 (PNAS)。在這項項目的第一項研究中出現(xiàn)的是一個簡單，優(yōu)雅的解決方案，用于篩選收集到的大量信息，以及對這些環(huán)境的挑戰(zhàn)有多嚴(yán)峻的現(xiàn)實檢查。

“大草原代表了世界上最肥沃的土壤中最大的土地，這使其成為參考場所和了解其微生物群落的生物基礎(chǔ)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因素，”Tiedje說。“它隔離了美國任何土壤系統(tǒng)中碳含量最高的碳，每年生產(chǎn)大量生物質(zhì)，這對生物燃料，糧食安全和碳封存至關(guān)重要。它是一個生態(tài)系統(tǒng)，與世界初級生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)循環(huán)中的大型海洋環(huán)流相似。“

自十多年前第一個人類基因組發(fā)布以來，DNA測序的應(yīng)用已被擴(kuò)展為一種強(qiáng)大的診斷技術(shù)，用于衡量地球多樣化生態(tài)位的健康狀況及其對變化的反應(yīng)。在美國能源部JGI發(fā)起的這項雄心勃勃的試點研究中，密歇根州立大學(xué)的研究人員試圖比較從中西部玉米田采集的不同土壤的微生物種群，這些土壤在連續(xù)栽培100年，與來自大草原原始大片的土壤相比。理論基礎(chǔ)與人類基因組計劃的基本動機(jī)同樣令人信服。

Great Prairie土壤項目也是一種非常適合DOE JGI的強(qiáng)制性計劃，它提供了實際的原始排序能力。除了產(chǎn)生足夠數(shù)據(jù)所需的吞吐量之外，使土壤成為生物學(xué)“重大挑戰(zhàn)”的一個關(guān)鍵因素是，很少有參考基因組，“Rosetta Stones”，以幫助篩選這些可能為重要特征提供信息的小塊數(shù)據(jù)如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，碳循環(huán)，營養(yǎng)加工或疾病和抗旱性。另一個原因是大量原始數(shù)據(jù)所需的分析規(guī)模。對于Great Prairie土壤實驗，該團(tuán)隊產(chǎn)生了近4000億個代碼，相當(dāng)于130多個人類基因組當(dāng)量，或88,000個 大腸桿菌 基因組。

該研究的主要作者，密歇根州立大學(xué)的C. Titus Brown說，“這就像粉碎了整個圖書館的內(nèi)容，并重新組裝了大量碎片中的單個卷。”他將這種類比用于傳統(tǒng)的“霰彈槍”環(huán)境樣品的DNA測序工作。布朗喜歡用查爾斯狄更斯的“雙城記”作為解釋技術(shù)的特別書(......這是智慧的時代，是愚蠢的時代......)。

草原樣本上使用的分析方法首先在最近特征的數(shù)據(jù)集中進(jìn)行了嘗試，該數(shù)據(jù)集來自人類腸道微生物組的研究 - 生活在我們體內(nèi)的微生物群落。布朗和他的同事，第一作者Adina Chuang Howe，部署了一種壓縮方法，與通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)腏PEG圖像等大型計算機(jī)文件相同，可以丟棄大量數(shù)據(jù)而不會降低實際數(shù)據(jù)內(nèi)容。布朗稱這種技術(shù)為“數(shù)字規(guī)范化”。

在腸道數(shù)據(jù)集上測試后，他們將其應(yīng)用于土壤集。“這些結(jié)果仍然讓我感到震驚，”布朗說。“這給我們帶來的是實際生物分析的計算要求降低了2到200倍。”

布朗說，關(guān)鍵點在于，除了使分析更容易和不可能的分析 - 土壤宏基因組，特別是平易近人之外，該過程顯著改善了困難生物的基因組裝配，并使轉(zhuǎn)錄組裝配(編碼蛋白質(zhì)的RNA分子)由基因組表達(dá)的瑣碎的。此外，它還提供數(shù)據(jù)管理“民主化”，使無法訪問云計算和高性能計算的科學(xué)家能夠?qū)ζ溥M(jìn)行分析。

“我認(rèn)為這可能導(dǎo)致思維方式的根本轉(zhuǎn)變，”布朗說。“我們實際上正在將生物序列分析中的標(biāo)準(zhǔn)重量級方法轉(zhuǎn)換為超高效的流式方法。”因此，研究人員可以投入更多資源從噪聲中提取科學(xué)，因為他們的基本分析支出已經(jīng)下降。

至于土壤的實際生物學(xué)，分析仍在進(jìn)行中。但與此同時，使用這種簡單優(yōu)雅策略的含義比比皆是。

來自伯克利實驗室地球科學(xué)部的高級科學(xué)家Janet Jansson以及DOE JGI的Metagenome計劃負(fù)責(zé)人Susannah Tringe在DOE的使命中為該項目提供了支持。

“我們的目標(biāo)是提高將遺傳信息與生態(tài)功能聯(lián)系起來的能力，以及為改善土壤管理，碳固存，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和生產(chǎn)力提供診斷工具的潛力，”Jansson說，他曾前往偏遠(yuǎn)地區(qū)。北極地區(qū)對永久凍土融化的微生物群落進(jìn)行采樣。

“宏基因組序列分析提供了更好地了解土壤群落功能的手段，以及不同土壤生態(tài)系統(tǒng)中組成，多樣性和功能的差異和相似性。”

她說，數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)該能夠顯著改善基因組裝配，并為未來對土壤和其他復(fù)雜環(huán)境的研究提供重要參考。

“這將有助于我們建立基因和生物如何在土壤中進(jìn)化的模式，以及如何利用這些模式來理解和潛在地管理適應(yīng)性特征，如溫室氣體通量，碳穩(wěn)定性和植物病害發(fā)展，”Jansson說。“我們現(xiàn)在所知道的是，土壤微生物負(fù)責(zé)循環(huán)營養(yǎng)，這對所有更高級別的生命至關(guān)重要。土壤微生物在碳循環(huán)中的作用是最近突出的一個例子，因為微生物介導(dǎo)的碳吸收和隔離的重要性以及有機(jī)物降解和二氧化碳和甲烷釋放到大氣中的相反過程。這些過程之間的相對平衡對大氣碳預(yù)算和隨后的全球變暖趨勢產(chǎn)生了巨大影響。“

PNAS研究的底線是，盡管有4000億個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但仍然不足以深入地詢問局部土壤樣品中的微生物參與者，這證實需要更多的數(shù)據(jù)來全面研究土壤宏基因組的含量。

或者，用另一個查爾斯狄更斯的角色來解釋，布朗說，“請先生，我們還能有更多......數(shù)據(jù)。”

除了美國能源部科學(xué)辦公室提供的支持外，該研究得到了美國農(nóng)業(yè)部，國家食品和農(nóng)業(yè)研究所，國家科學(xué)基金會和大湖生物能源研究中心的支持。