加利福尼亞州的WALNUT CREEK / BERKELEY - 從北極到北冰洋，該地區(qū)的冷凍土壤估計(jì)有大約1,672億公噸的碳排出地球大氣層。這種封存的碳是2009年美國溫室氣體排放量的250倍以上。然而，隨著全球氣溫緩慢上升，人們對(duì)永久凍土融化和釋放時(shí)對(duì)碳循環(huán)的潛在影響的擔(dān)憂也越來越多。已被困的碳。像地球上許多關(guān)鍵的環(huán)境過程一樣，最小的球員 - 微生物 - 對(duì)最終的結(jié)果具有最重要的影響。

為了回答這個(gè)問題，美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)，伯克利實(shí)驗(yàn)室地球科學(xué)部(ESD)和美國地質(zhì)調(diào)查局的研究人員合作，了解永久凍土中發(fā)現(xiàn)的微生物如何應(yīng)對(duì)變暖的環(huán)境。11月6日在線發(fā)表在“ 自然 ”雜志上的調(diào)查結(jié)果顯示，這是一種新型微生物的基因組草圖，它產(chǎn)生的甲烷是一種比二氧化碳強(qiáng)得多的溫室氣體。這種尚未命名的微生物存在于永久凍土中，并且是從基因組的集合中組裝出來的 - 從寒冷的土壤中分離出的宏基因組。組裝挑戰(zhàn)類似于從許多不同拼圖的大量拼圖中構(gòu)建一個(gè)完整的拼圖游戲。

“永久凍土有望成為溫室氣體的主要來源，因?yàn)榕c世界上許多其他地區(qū)的預(yù)期溫度升高相比，預(yù)計(jì)北極地區(qū)的溫度會(huì)急劇上升，”ESD的Janet Jansson說道，相應(yīng)的作者和發(fā)起人研究(首先得到美國能源部實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和發(fā)展基金的資助)。“通過應(yīng)用宏基因組學(xué)來研究微生物群落的組成和功能，我們可以幫助回答有關(guān)當(dāng)前未開墾和未經(jīng)研究的微生物物種如何在永久凍土中循環(huán)有機(jī)碳并在解凍過程中釋放溫室氣體的問題，”Jansson說。“這將提供有價(jià)值的信息，可以改善碳循環(huán)模型和最終的緩解策略。”

根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局的數(shù)據(jù)，2009年化石燃料燃燒占全國二氧化碳排放量的52億公噸，是北極永久凍土帶中二氧化碳的一小部分(約占1%)。了解冷凍土壤中的微生物過程以及微生物活動(dòng)對(duì)二氧化碳過程的影響，已成為研究合作者和USGS研究員Mark Waldrop的項(xiàng)目，他的2010年社區(qū)測序計(jì)劃項(xiàng)目，另一個(gè)與DOE JGI合作(與之合作) Jansson)，專注于比較解凍永久凍土帶的短期微生物響應(yīng)與長期過程。

Waldrop從阿拉斯加Hess Creek的泥炭質(zhì)黑云杉森林中采集了深度永久凍土層。然后將每個(gè)樣品分開以區(qū)分季節(jié)性解凍的“活性”層(其包含核心的頂部三分之一)和永久凍結(jié)的“永久凍土”地平線。樣品在5°C解凍期間孵育，然后送到Jansson實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行DNA提取和分析在DOE JGI，由導(dǎo)演Eddy Rubin和他的博士后研究員Rachel Mackelprang(現(xiàn)在加州州立大學(xué)北嶺分校)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)從樣品中測序的微生物DNA。“這些微生物群落非常多樣化，”Mackelprang說。“一克土壤可能含有數(shù)千種不同的細(xì)菌和數(shù)十億細(xì)胞。此外，大多數(shù)這些微生物不能在實(shí)驗(yàn)室中生長，

在DOE JGI，Mackelprang及其同事產(chǎn)生了近400億個(gè)原始DNA序列的堿基，這是由于土壤的高微生物多樣性所必需的。他們發(fā)現(xiàn)了幾種產(chǎn)生甲烷作為副產(chǎn)物的微生物，并且能夠組裝新型產(chǎn)甲烷菌的基因組草圖。作者寫道：“這是從高度復(fù)雜的土壤宏基因組中成功組裝基因組草圖的第一個(gè)例子。” “這種新型產(chǎn)甲烷菌的豐富性表明它可能是冷凍條件下甲烷生產(chǎn)的重要參與者。”此外，基因組數(shù)據(jù)顯示微生物具有固氮基因，這使得這項(xiàng)研究也首次描述了潛在的氮 - 在多年凍土中固定產(chǎn)甲烷菌。

研究人員在宏基因組數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了許多參與碳和氮循環(huán)的基因，并發(fā)現(xiàn)它們的豐度水平隨著它們的解凍棲息地而變化。“這些詳細(xì)分析首次揭示了永久凍土微生物群落解凍的快速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，”他們總結(jié)道。“我們檢測到的融化引起的變化直接支持了北極土壤中碳和氮循環(huán)的概念模型，其中微生物在溫室氣體排放和儲(chǔ)存的永久凍土碳的不穩(wěn)定中起著核心作用。”

美國能源部聯(lián)合基因組研究所在美國能源部科學(xué)辦公室的支持下，致力于推進(jìn)基因組學(xué)研究，以支持與清潔能源生產(chǎn)，環(huán)境特征描述和清理相關(guān)的DOE任務(wù)?？偛课挥诩永Ｄ醽喼軼alnut Creek的DOE JGI提供集成的高通量測序和計(jì)算分析，使基于系統(tǒng)的科學(xué)方法能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。在Twitter上關(guān)注DOE JGI。

勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室通過推進(jìn)可持續(xù)能源，保護(hù)人類健康，創(chuàng)造新材料以及揭示宇宙的起源和命運(yùn)來應(yīng)對(duì)世界上最緊迫的科學(xué)挑戰(zhàn)。伯克利實(shí)驗(yàn)室成立于1931年，其科學(xué)專業(yè)知識(shí)獲得了13項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。加州大學(xué)為美國能源部的科學(xué)辦公室管理伯克利實(shí)驗(yàn)室。