玉米秸稈沙沙作響，拖拉機滾動，他們的輪子磨成堪薩斯州的土壤。雖然看起來農(nóng)民和機器在現(xiàn)代農(nóng)場上進行大部分工作，但大部分繁重工作都在地表之下。美國中西部的大草原是這個星球上最復雜的生物系統(tǒng)之一，肉眼無法看到。由能源部科學辦公室支持的研究人員正在繪制這個微生物群落的基因圖，這項努力可以解開遺傳學，生態(tài)學和農(nóng)業(yè)的新方法。

曾經(jīng)被稱為美國的糧倉，大草原的生產(chǎn)性土壤比國??內(nèi)任何其他地方都含有更多的碳。儲存碳對于限制氣候變化和維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力至關(guān)重要。然而，由于耕作等農(nóng)業(yè)實踐，土壤已經(jīng)儲存了20%至60%的碳。

“[大草原]是世界上最偉大的資源之一，”密歇根州立大學的微生物學家James Tiedje說。

為了更好地了解支持這種生態(tài)系統(tǒng)生育能力的微生物，與科學辦公室用戶設(shè)施聯(lián)合基因組研究所(JGI)合作的研究人員正在應(yīng)對Great Prairie Metagenome Grand Challenge。只有半茶匙的土壤容納了數(shù)十億的微生物細胞，這些微生物細胞可以進行碳和氮循環(huán)等基本過程。但科學家并不完全了解它們?nèi)绾伟l(fā)揮作用或?qū)Νh(huán)境變化做出反應(yīng)。

“在過去，微生物只被認為是次要的，因為它們很小而且看不見，”Tiedje說。“但他們的生化能力是巨大的。而且它們基本上對我們免費工作。”

在地下并進入實驗室

由于大多數(shù)這些微生物很難在實驗室培養(yǎng)，研究人員直接找到了來源 - 愛荷華州，威斯康星州和堪薩斯州的田地和草原。為了研究養(yǎng)殖土地和原生草原之間微生物多樣性和豐度的差異，他們比較了8個地點：3個從未種植的地方，3個種植玉米超過50年的地方，1個地點有柳枝稷(原生植物)可用于制造生物燃料的生物燃料，以及一個在長期種植后恢復到草原的地方。

科學家的任務(wù)始于夏季炎熱，當時植物生長達到頂峰。在清除了草，野花和玉米秸稈之后，研究人員將一個土壤修整器插入地面五英寸。對于所有這些努力，他們每個位置只提取了1平方厘米的土壤及其相關(guān)的微生物 - 略小于糖塊的大小。為了保存珍貴的微生物貨物，他們將它在冰上運送到實驗室。

這就是真正的挑戰(zhàn)開始的地方。宏基因組學研究匯集了社區(qū)內(nèi)所有單個微生物的基因組，統(tǒng)稱為微生物組。為了對單個生物體的基因組進行測序，科學家必須在其DNA內(nèi)識別所有核苷酸的順序 - 作為遺傳構(gòu)建模塊的四個堿基對。對于人類基因組計劃，科學家們分離并研究了具有約30億個核苷酸的人類DNA。相比之下，一克大草原土壤 - 大約一小撮鹽 - 含有超過一萬億個DNA(比人類基因組多300倍)，來自超過100,000種不同的物種。

承擔研究風險

事實上，Great Prairie項目產(chǎn)生了如此復雜的數(shù)據(jù)，當它在2009年開始時，JGI為它提供了比單個項目更多的測序資源。

“當時大膽，”太平洋西北國家實驗室生物科學部門主任珍妮特揚森說。在JGI提供資源的同時，來自多個DOE國家實驗室和大學的研究人員正在合作開展該項目。

在挑戰(zhàn)之前，科學家們認為將單個微生物的基因組拼湊起來可能是不可能的。但這些投資產(chǎn)生了開辟新研究領(lǐng)域的工具和平臺。

科學家們開始采用一種稱為鳥槍測序的通用過程。這個過程將長片DNA切割成相同大小的片段，分析構(gòu)成它們的堿基對的順序，然后將這些片段重新組合在一起。這就像打碎彩色玻璃窗，在顯微鏡下觀察碎片，然后重新組裝它們。然而，在基因組的情況下，研究人員不知道原始的“圖片”是什么。雖然這種技術(shù)不可避免地會留下空白，但研究人員必須分析這種類型的基因組信息。

通常，功能強大的軟件會搜索數(shù)據(jù)庫，以查看所研究的微生物基因是否與研究人員之前測序的相似。但科學家可以將不到一半的大草原微生物蛋白與現(xiàn)有信息相匹配。

所以他們從零開始。在對數(shù)據(jù)進行過濾以使其更簡單但仍然具有代表性之后，他們通過將樣本中的不同部分彼此進行比較來拼湊基因組的序列。

“如果你能在堪薩斯州的原始草原上實現(xiàn)基因組分組，你可以在任何地方進行，”Jansson說。從分析的角度來看，她說，“就高度多樣性和復雜性而言，這是最糟糕的情況。”

生物學語言

以前，研究草原微生物組很像用外語看電影 - 你可以看到人們在做事，但不知道為什么或如何做。對這些微生物基因進行測序可以提供字典?？茖W家仍然沒有完整的劇本，但這是邁向更廣泛理解的第一步。

來自全國各大學的科學家們已經(jīng)在利用這些數(shù)據(jù)來研究土地管理實踐如何影響微生物群落。他們發(fā)現(xiàn)原生草原的微生物生物量是養(yǎng)殖區(qū)域的兩倍，這是其質(zhì)量和健康的關(guān)鍵指標。

此外，他們發(fā)現(xiàn)種植似乎不僅減少了數(shù)量，而且減少了土壤類型和地理的大部分自然多樣性。愛荷華州原住民草原上的微生物組與威斯康星州原生草原的微生物組有很大不同。相比之下，無論它們位于何處，耕地都有類似的微生物。

但科學家們也發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事情 - 耕種區(qū)域的微生物種類總數(shù)平均高于本土種類。也許肥料的使用能提供更多的氮并模擬植物生長，為許多不同的微生物提供更多的食物。在原生草原上，微生物需要競爭關(guān)鍵營養(yǎng)素，包括氮和磷。它們還可以從死亡和垂死的植物中獲得更少的碳。不需要與營養(yǎng)素競爭太多就可能導致養(yǎng)殖區(qū)域的微生物多樣性。

“我們這個星球上的生命依賴于我們所知甚少的微生物，”Jansson說。

為了使未來的研究能夠進一步探索基因，蛋白質(zhì)和微生物功能之間的聯(lián)系，Great Prairie數(shù)據(jù)可在JGI的基因組門戶中公開獲得。Great Prairie Metagenome Grand Challenge只是JGI支持的數(shù)千個微生物基因組學復雜項目之一。