科學家正利用土壤微生物的DNA幫助提高氣候模型的準確性

氣候模型對於預測和應對氣候變化至關重要，但卻不能充分反映土壤微生物的情況，而土壤微生物是生態系統土壤固碳的關鍵角色，影響着全球碳循環。由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）領導的一個科學家小組開發出了一種新的模型，其中納入了微生物的遺傳信息。

微生物模型利用廣泛的基因組數據爲土壤碳模擬提供動力。圖片來源：Victor O. Leshyk 插圖

這個新模型使科學家們能夠更好地瞭解某些土壤微生物如何有效地儲存植物根系提供的碳，併爲農業戰略提供信息，以保護土壤中的碳，支持植物生長和減緩氣候變化。

"我們的研究證明了直接從土壤中收集微生物遺傳信息的優勢。在此之前，我們只掌握了實驗室研究的少數微生物的信息，"論文第一作者、伯克利實驗室博士後研究員吉安娜-馬施曼（Gianna Marschmann）說。"有了基因組信息，我們就能建立更好的模型，預測各種植物類型、作物甚至特定栽培品種如何與土壤微生物合作，更好地捕集碳。同時，這種合作還能增強土壤健康"。

最近發表在《自然-微生物學》雜誌上的一篇新論文介紹了這項研究。論文的通訊作者是伯克利實驗室的 Eoin Brodie 和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的 Jennifer Pett-Ridge，後者領導着"微生物持久存在"土壤微生物組科學重點領域項目，該項目由能源部科學辦公室資助，以支持這項工作。

看見看不見的東西 - 微生物對土壤健康和碳的影響

土壤微生物幫助植物獲取土壤養分，抵抗乾旱、疾病和蟲害。它們對碳循環的影響在氣候模型中的體現尤爲重要，因爲它們會影響土壤中儲存的碳量或在分解過程中以二氧化碳形式釋放到大氣中的碳量。通過利用這些碳構建自己的身體，微生物可以將碳穩定（或儲存）在土壤中，並影響碳在地下的儲存量和儲存時間。這些功能與農業和氣候的相關性正受到前所未有的關注。

然而，僅一克土壤中就含有多達100 億個微生物和數千個不同物種，絕大多數微生物從未在實驗室中被研究過。直到最近，科學家們才從實驗室研究的極少數微生物中獲得數據，爲這些模型提供依據，其中許多微生物與需要在氣候模型中體現的微生物無關。

Brodie解釋說："這就好比根據只生長在熱帶森林中的植物所提供的信息，爲沙漠建立生態系統模型。"

爲了應對這一挑戰，科學家團隊直接利用基因組信息建立了一個模型，該模型能夠適應任何需要研究的生態系統，從加利福尼亞的草原到北極解凍的永久凍土。該模型利用基因組深入瞭解土壤微生物的功能，研究小組將這種方法用於研究加利福尼亞牧場中植物與微生物組之間的相互作用。牧場在加州具有重要的經濟和生態意義，佔陸地面積的 40% 以上。

研究重點是生活在植物根部周圍的微生物（稱爲根圈）。這是一個重要的研究環境，因爲儘管根區只佔地球土壤體積的 1-2%，但據估計，根區儲存了地球土壤中 30-40% 的碳，其中大部分碳是由根系在生長過程中釋放出來的。

爲了建立這個模型，科學家們利用加州大學霍普蘭研究與推廣中心提供的數據，模擬了微生物在根部環境中的生長情況。不過，這種方法並不侷限於特定的生態系統。由於某些遺傳信息與特定的性狀相對應，就像人類一樣，基因組（模型所基於的）與微生物性狀之間的關係可以轉移到世界各地的微生物和生態系統中。

研究小組開發了一種新方法來預測微生物的重要性狀，這些性狀會影響微生物利用植物根系提供的碳和養分的速度。研究人員利用該模型證明，隨着植物的生長和碳的釋放，由於根系化學和微生物性狀之間的相互作用，會出現不同的微生物生長策略。特別是，他們發現，生長速度較慢的微生物在植物生長後期會受到碳釋放類型的青睞，而且它們在利用碳方面的效率出奇地高--這使它們能夠在土壤中儲存更多的這種關鍵元素。

這一新的觀測結果爲改進模型中根系與微生物之間的相互作用提供了依據，並提高了預測微生物如何影響氣候模型中全球碳循環變化的能力。

"這些新發現對農業和土壤健康具有重要意義。通過我們正在建立的模型，我們越來越有可能利用對碳如何在土壤中循環的新認識。這反過來又爲我們提供了可能性，使我們能夠提出保護土壤中寶貴的碳的策略，從而在可行的範圍內支持生物多樣性和植物生長，以衡量其影響，"馬施曼說。

這項研究強調了利用基於遺傳信息的建模方法來預測微生物性狀的威力，有助於揭示土壤微生物組及其對環境的影響。

編譯來源：ScitechDaily