北极微生物如何应对温暖的世界

加利福尼亚州的WALNUT CREEK / BERKELEY - 从北极到北冰洋，该地区的冷冻土壤估计有大约1,672亿公吨的碳排出地球大气层。这种封存的碳是2009年美国温室气体排放量的250倍以上。然而，随着全球气温缓慢上升，人们对永久冻土融化和释放时对碳循环的潜在影响的担忧也越来越多。已被困的碳。像地球上许多关键的环境过程一样，最小的球员 - 微生物 - 对最终的结果具有最重要的影响。

为了回答这个问题，美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)，伯克利实验室地球科学部(ESD)和美国地质调查局的研究人员合作，了解永久冻土中发现的微生物如何应对变暖的环境。11月6日在线发表在“ 自然 ”杂志上的调查结果显示，这是一种新型微生物的基因组草图，它产生的甲烷是一种比二氧化碳强得多的温室气体。这种尚未命名的微生物存在于永久冻土中，并且是从基因组的集合中组装出来的 - 从寒冷的土壤中分离出的宏基因组。组装挑战类似于从许多不同拼图的大量拼图中构建一个完整的拼图游戏。

“永久冻土有望成为温室气体的主要来源，因为与世界上许多其他地区的预期温度升高相比，预计北极地区的温度会急剧上升，”ESD的Janet Jansson说道，相应的作者和发起人研究(首先得到美国能源部实验室指导研究和发展基金的资助)。“通过应用宏基因组学来研究微生物群落的组成和功能，我们可以帮助回答有关当前未开垦和未经研究的微生物物种如何在永久冻土中循环有机碳并在解冻过程中释放温室气体的问题，”Jansson说。“这将提供有价值的信息，可以改善碳循环模型和最终的缓解策略。”

根据美国环境保护局的数据，2009年化石燃料燃烧占全国二氧化碳排放量的52亿公吨，是北极永久冻土带中二氧化碳的一小部分(约占1%)。了解冷冻土壤中的微生物过程以及微生物活动对二氧化碳过程的影响，已成为研究合作者和USGS研究员Mark Waldrop的项目，他的2010年社区测序计划项目，另一个与DOE JGI合作(与之合作) Jansson)，专注于比较解冻永久冻土带的短期微生物响应与长期过程。

Waldrop从阿拉斯加Hess Creek的泥炭质黑云杉森林中采集了深度永久冻土层。然后将每个样品分开以区分季节性解冻的“活性”层(其包含核心的顶部三分之一)和永久冻结的“永久冻土”地平线。样品在5°C解冻期间孵育，然后送到Jansson实验室进行DNA提取和分析在DOE JGI，由导演Eddy Rubin和他的博士后研究员Rachel Mackelprang(现在加州州立大学北岭分校)领导的团队从样品中测序的微生物DNA。“这些微生物群落非常多样化，”Mackelprang说。“一克土壤可能含有数千种不同的细菌和数十亿细胞。此外，大多数这些微生物不能在实验室中生长，

在DOE JGI，Mackelprang及其同事产生了近400亿个原始DNA序列的碱基，这是由于土壤的高微生物多样性所必需的。他们发现了几种产生甲烷作为副产物的微生物，并且能够组装新型产甲烷菌的基因组草图。作者写道：“这是从高度复杂的土壤宏基因组中成功组装基因组草图的第一个例子。” “这种新型产甲烷菌的丰富性表明它可能是冷冻条件下甲烷生产的重要参与者。”此外，基因组数据显示微生物具有固氮基因，这使得这项研究也首次描述了潜在的氮 - 在多年冻土中固定产甲烷菌。

研究人员在宏基因组数据中发现了许多参与碳和氮循环的基因，并发现它们的丰度水平随着它们的解冻栖息地而变化。“这些详细分析首次揭示了永久冻土微生物群落解冻的快速和动态响应，”他们总结道。“我们检测到的融化引起的变化直接支持了北极土壤中碳和氮循环的概念模型，其中微生物在温室气体排放和储存的永久冻土碳的不稳定中起着核心作用。”

美国能源部联合基因组研究所在美国能源部科学办公室的支持下，致力于推进基因组学研究，以支持与清洁能源生产，环境特征描述和清理相关的DOE任务。总部位于加利福尼亚州Walnut Creek的DOE JGI提供集成的高通量测序和计算分析，使基于系统的科学方法能够应对这些挑战。在Twitter上关注DOE JGI。

劳伦斯伯克利国家实验室通过推进可持续能源，保护人类健康，创造新材料以及揭示宇宙的起源和命运来应对世界上最紧迫的科学挑战。伯克利实验室成立于1931年，其科学专业知识获得了13项诺贝尔奖。加州大学为美国能源部的科学办公室管理伯克利实验室。