迄今為止，對任何生態(tài)系統(tǒng)進行的最詳細的基因組研究之一揭示了一個令人驚嘆的微生物多樣性的地下世界，并為生命樹增加了數(shù)十個新的分支。細菌富礦來自科學家，他們從科羅拉多州含水層采集的沉積物和地下水樣本中重建了2500多種微生物的基因組。這項工作由能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)和加州大學伯克利分校的研究人員領導。DNA測序在美國能源部科學用戶設施辦公室聯(lián)合基因組研究所進行。

據(jù)“ 自然通訊 ”雜志10月24日在線報道，這些科學家從80%的已知細菌門中捕獲了基因組，在一個地方獲得了顯著程度的生物多樣性。他們還發(fā)現(xiàn)了47個新的門級細菌群，在有影響力的微生物學家和其他科學家之后命名其中許多。他們學到了關于微生物群落如何共同推動對地球氣候和生活至關重要的過程的新見解，例如碳和氮循環(huán)。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了地球上最重要和最不了解的生活領域之一。地下世界占據(jù)了所有生物量的五分之一，但它仍然是一個謎。

“我們沒想到會發(fā)現(xiàn)這種令人難以置信的微生物多樣性。但話說回來，我們對地下微生物在生物地球化學過程中的作用知之甚少，更廣泛地說，我們并不知道那里有什么，”Jill Banfield說。伯克利實驗室氣候與生態(tài)系統(tǒng)科學部高級教師科學家，地球與行星科學，環(huán)境科學，政策與管理部門的加州大學伯克利分校教授。

加州大學伯克利分校的Karthik Anantharaman是該論文的第一作者，他補充說：“為了更好地理解地下微生物的作用，我們的方法是獲取它們的整個基因組。這使我們能夠發(fā)現(xiàn)微生物之間比我們之前看到的更大的相互依賴性。 “。

該研究是伯克利實驗室領導的可持續(xù)系統(tǒng)科學重點領域2.0項目的一部分，該項目正在開發(fā)對從基因組到流域尺度的陸地環(huán)境的預測性理解。該項目的實地研究在科羅拉多州Rifle鎮(zhèn)附近的一個研究場所進行，在過去的幾年里，科學家們進行了一些實驗，旨在刺激天然存在于極低數(shù)量的地下微生物種群。

科學家們將這些實驗的土壤和水樣送到聯(lián)合基因組研究所進行terabase規(guī)模的宏基因組測序。這種高通量方法從環(huán)境樣品中分離和純化DNA，然后一次測序一萬億堿基對DNA。接下來，科學家們使用Banfield實驗室開發(fā)的生物信息學工具來分析數(shù)據(jù)。

他們的方法重新繪制了生命之樹。在這項工作中報告的47個新細菌群和去年發(fā)布的35個新組(也見于Rifle現(xiàn)場)之間，Banfield的團隊已將已知細菌群的數(shù)量增加了一倍。

隨著發(fā)現(xiàn)獲得命名權。科學家們在伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的研究人員之后命名了許多新的細菌群。例如，在phylochip發(fā)明人Gary Andersen之后有Candidatus Andersenbacteria，在CRISPR基因組編輯先驅Jennifer Doudna之后有Candidatus Doudnabacteria。“伯克利現(xiàn)在主宰了生命之樹，就像周期表一樣，”班菲爾德對伯克利實驗室和加州大學伯克利分校發(fā)現(xiàn)的16個元素表示贊同。

另一個重要成果是更深入地了解地下微生物在全球重要的碳，氫，氮和硫循環(huán)中所起的作用。這些信息有助于更好地在氣候模擬等預測模型中表示這些周期。

科學家對含水層系統(tǒng)中檢測到的36%的生物進行了代謝分析。他們專注于一種稱為代謝切換的現(xiàn)象，這實質上意味著一種微生物的廢物是另一種微生物的食物。從實驗室研究中可以知道，在某些反應中需要進行切換，但這些互連的網(wǎng)絡在現(xiàn)實世界中廣泛存在并且復雜得多。

要理解為什么在模型中盡可能準確地代表代謝切換很重要，可以考慮硝酸鹽，一種來自肥料的地下水污染物。地下微生物是將硝酸鹽還原為無害氮氣的主要驅動因素。這個反硝化過程有四個步驟，第三步產(chǎn)生氧化亞氮 - 一種最有效的溫室氣體。如果進入第四步的微生物在硝酸鹽脈沖進入系統(tǒng)時無效，則該過程發(fā)生故障。

“如果微生物無法接受氧化亞氮的轉移，那么溫室氣體會逃逸到大氣中，”Anantharaman說。

科學家發(fā)現(xiàn)，碳，氫，氮和硫循環(huán)都是由代謝切換驅動的，這些切換需要微生物之間出乎意料的高度相互依賴性。絕大多數(shù)微生物不能完全減少化合物本身。需要一個團隊。如果第一串微生物不可用，還有備用微生物準備好執(zhí)行切換。

“高微生物多樣性和通過代謝交接的相互聯(lián)系的結合可能會導致高度的生態(tài)系統(tǒng)恢復能力，”班菲爾德說。