生長(zhǎng)是微生物群落的基本屬性，支撐著無數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的功能，例如，微生物生長(zhǎng)的增加是以微生物資源獲取為代價(jià)的，從而影響土壤碳源的分解速率，微生物會(huì)將同化的碳源分配到生長(zhǎng)和其他代謝過程中，這也是土壤有機(jī)質(zhì)形成的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。
同樣，微生物群落、土壤碳源和全球氣候之間的關(guān)鍵反饋也是生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要部分。盡管越來越多的研究詳細(xì)介紹了土壤細(xì)菌群落的分類和功能組成，但這些群落的生活史特征在很大程度上仍然是未知的。
因此，為了更好的理解和預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和儲(chǔ)存的變化，需要更好的了解微生物生長(zhǎng)潛力的模式和驅(qū)動(dòng)因。
近日，來自美國(guó)愛達(dá)荷大學(xué)生物科學(xué)系的Michael S.Strickland團(tuán)隊(duì)，在《Nature Communications》雜志發(fā)表了題為“Global patterns in the growth potential of soil bacterial communities”的文章。
該研究通過對(duì)一個(gè)全球土壤宏基因組數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，以探究細(xì)菌的生長(zhǎng)潛力的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生產(chǎn)力在全球范圍內(nèi)總體上反映了生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，且土壤細(xì)菌的生長(zhǎng)潛力與碳水化合物代謝相關(guān)基因的相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)。該研究證明了細(xì)菌生長(zhǎng)是驅(qū)動(dòng)全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵因素。
首先，研究使用密碼子使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)估了從六大洲的11個(gè)陸地生物群落中采樣的176個(gè)土壤宏基因組中的細(xì)菌生長(zhǎng)潛力。
估計(jì)的最大生長(zhǎng)速率在生物群落中表現(xiàn)出顯著的變化，在熱帶和溫帶/北緯地區(qū)觀測(cè)到較高的最大生長(zhǎng)速率，而在干旱的亞熱帶地區(qū)觀測(cè)到較低的最大生長(zhǎng)速率（圖1A）。從緯度的角度分析，森林生物群落的最大生長(zhǎng)速率普遍較高（圖1B）。
圖1土壤細(xì)菌群落生長(zhǎng)潛力的全球模式
也評(píng)估了群落平均16S rRNA基因拷貝數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均16S rRNA基因拷貝數(shù)與最大生長(zhǎng)速率顯著正相關(guān)，最大生長(zhǎng)速率與平均基因組大小呈弱正相關(guān)（圖1C、1D）。由此，表明了土壤細(xì)菌在脅迫耐受性和生長(zhǎng)潛力之間存在著根本性的權(quán)衡。
圖2隨機(jī)森林回歸模型顯示細(xì)菌群落平均最大生長(zhǎng)速率的最強(qiáng)環(huán)境預(yù)測(cè)因子
生長(zhǎng)速率與土壤濕度、土壤有機(jī)碳含量和碳氮含量比呈正向相關(guān)，與土壤pH呈負(fù)相關(guān)。為了確定細(xì)菌生長(zhǎng)潛力的最強(qiáng)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)因素，作者使用隨機(jī)森林回歸模型進(jìn)行分析，隨機(jī)森林回歸模型證明了土壤pH值、土壤碳氮比和赤道距離是最大生長(zhǎng)速率的最強(qiáng)預(yù)測(cè)因素（圖2）。在該研究中，發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落的生產(chǎn)力反映了其所處的生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，這也表明了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力通過能量和養(yǎng)分的鏈?zhǔn)絺鬟f，帶動(dòng)了該生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)所有生物的生產(chǎn)力。
圖3生長(zhǎng)潛力與功能基因的關(guān)系
其次，假設(shè)細(xì)菌生長(zhǎng)潛力與細(xì)菌群落的碳循環(huán)功能相關(guān)。研究重點(diǎn)關(guān)注了編碼參與碳水化合物代謝和運(yùn)輸?shù)幕蛞约澳芰慨a(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的基因的相關(guān)豐度，研究發(fā)現(xiàn)最大生長(zhǎng)速率與能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的基因的相對(duì)豐度呈正相關(guān)，與碳水化合物代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)的基因的相對(duì)豐度呈負(fù)相關(guān)（圖3）。
同時(shí)，研究也觀察到細(xì)菌生長(zhǎng)潛力與能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的基因之間的正相關(guān)關(guān)系表明，高生長(zhǎng)潛力與同化的碳資源向能量的轉(zhuǎn)換有關(guān)，而不是生物量的增加。細(xì)菌的快速生長(zhǎng)反過來可能會(huì)通過增加微生物殘留物的產(chǎn)生來促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的形成，或隨著生長(zhǎng)速度的加快，碳利用效率的降低可能會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)的形成速度，這也提出了未來的研究中應(yīng)嘗試探究潛在的碳循環(huán)途徑與細(xì)菌生長(zhǎng)潛力的關(guān)系。
圖4氣候、土壤、細(xì)菌群落生長(zhǎng)潛力和碳循環(huán)功能基因之間的聯(lián)系
最后，研究通過結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）進(jìn)行了總結(jié)，說明了氣候、土壤性質(zhì)、細(xì)菌生長(zhǎng)潛力和碳循環(huán)功能之間的聯(lián)系（圖4），即細(xì)菌的生長(zhǎng)潛力主要由土壤性質(zhì)驅(qū)動(dòng)，如水分和碳物質(zhì)的有效性，又反過來受生產(chǎn)力（如生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力、與赤道的距離）的控制。
該研究結(jié)果表明生物群落之間的細(xì)菌生長(zhǎng)潛力的變化將驅(qū)動(dòng)來自不同環(huán)境的土壤中分解和儲(chǔ)存碳的不同速率，細(xì)菌群落的功能和分類學(xué)特征中的這些宏觀生態(tài)模式與這些群落的生長(zhǎng)潛力有根本的聯(lián)系。該研究建立了一個(gè)微生物生理框架，對(duì)未來更好地了解全球范圍內(nèi)的土壤碳物質(zhì)的分解和儲(chǔ)存起到了至關(guān)重要的作用。
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