土壤微生物组地球的活皮肤面临气候变化的威胁

宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组在一项新研究中使用一种新方法来检测生物土壤结皮或生物结皮中的微生物活性，这些线索将有助于更好地理解其作用微生物在世界各地许多半干旱生态系统上形成活的皮肤中发挥着作用。这些微小生物体及其产生的微生物组受到气候变化的威胁。

研究人员在 《微生物学前沿》上发表了他们的发现。

“生物结皮目前覆盖地球表面约 12%，我们预计，由于气候变化和土地利用集约化，生物结皮将在 65 年内减少约 25% 至 40%，”团队负责人、宾夕法尼亚州立大学助理教授埃斯特尔·库拉多 (Estelle Couradeau) 说道。土壤和环境微生物学。“我们希望这项工作能够为理解支持生物结皮适应快速变化的气候模式和更频繁的干旱的微生物功能铺平道路。”

生物土壤结皮是在土壤中形成常年、组织良好的表层的生物体的集合。它们分布广泛，出现在所有缺水限制常见植物生长的大陆上，使光线能够到达裸露的土壤。但仍然有足够的水来支持微生物的生长，这些微生物执行有价值的生态系统服务，例如从空气中获取碳和氮并将其固定在土壤中，回收养分并将土壤颗粒固定在一起，这有助于防止灰尘。

库拉多表示，土壤稳定功能极其重要，它通过使土壤结块而不分解成灰尘来减少侵蚀。她的研究小组现在位于宾夕法尼亚州立大学 农业科学学院，十年来一直在深入研究生物结皮。

“大多数灰尘是在旱地产生的，研究表明，旱地生物结皮的存在大大减少了进入大气中的灰尘量，”她说。“我们认为失去生物结皮将导致全球粉尘排放和沉积增加 5% 至 15%，这将影响气候、环境和人类健康。”

在存在生物结皮的半干旱地区，这些生物体——微小的苔藓、地衣、绿藻、蓝藻、其他细菌和真菌——每年可能只会经历几次雨或雪，该大学的博士生瑞安·特雷克斯勒解释道。生态学和生物地球化学的校际研究生学位项目，谁带头了这项研究。

“当土壤干燥时，土壤中的微生物在很大程度上处于休眠状态，没有多大作用，”他说。“但是一旦它们感觉到水，它们就会很快复苏，几秒到几分钟之内。它们正在积极制造叶绿素并固定碳和氮，直到土壤再次干燥，然后微生物再次休眠。每次下雨，它们都会经历一次活动周期。”

为了研究生物结皮，研究人员从位于犹他州摩押附近的科罗拉多高原的三块未受干扰、以蓝细菌为主的生物结皮中采集了样本。生物结皮样本是在秋季采集的，雨水充分湿润了土壤，从而激活了微生物。随后将样品干燥并储存在黑暗中，然后在研究后期重新润湿。

“我们对所谓的‘寒冷沙漠’进行了采样，因为那里非常干旱，但在冬天，有时会下雪，”特雷克斯勒说。“所以，这里不像许多其他干旱地方那么热，但植物仍然无法在那里生长，因为没有足够的水。因此，我们在该地点的土壤中发现的唯一群落是微生物。”

为了确定哪些微生物在土壤群落中活跃，研究人员将生物正交非规范氨基酸标记(称为 BONCAT)与荧光激活细胞分选结合起来。BONCAT 是一种强大的工具，用于在群落和整个生物体的单细胞水平上跟踪蛋白质合成，而荧光激活细胞分选则根据细胞是否产生新蛋白质对细胞进行分类。

研究人员将这些过程与鸟枪法宏基因组测序相结合，使他们能够对生物结皮样本中存在的所有生物体的所有基因进行全面采样。他们应用这种方法来分析生物结皮群落中活性和非活性微生物在模拟降雨事件恢复后的多样性和潜在功能。研究人员发现，他们的新方法可以识别潮湿生物结皮中的活性和非活性微生物。

研究人员报告说，在润湿事件后 4 小时和 21 小时，生物结皮群落的活性和非活性成分在物种丰富度和组成上有所不同。

劳伦斯伯克利国家实验室的 Marc Van Goethem 和沙特阿拉伯吉达阿卜杜拉国王科技大学为这项研究做出了贡献;Danielle Goudeau、Nandita Nath、Trent Northen 和 Rex Malmstrom，联合基因组研究所劳伦斯伯克利国家实验室。

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