地下发现了新的细菌群和惊人的多样性

迄今为止，对任何生态系统进行的最详细的基因组研究之一揭示了一个令人惊叹的微生物多样性的地下世界，并为生命树增加了数十个新的分支。细菌富矿来自科学家，他们从科罗拉多州含水层采集的沉积物和地下水样本中重建了2500多种微生物的基因组。这项工作由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的研究人员领导。DNA测序在美国能源部科学用户设施办公室联合基因组研究所进行。

据“ 自然通讯 ”杂志10月24日在线报道，这些科学家从80%的已知细菌门中捕获了基因组，在一个地方获得了显着程度的生物多样性。他们还发现了47个新的门级细菌群，在有影响力的微生物学家和其他科学家之后命名其中许多。他们学到了关于微生物群落如何共同推动对地球气候和生活至关重要的过程的新见解，例如碳和氮循环。

这些发现揭示了地球上最重要和最不了解的生活领域之一。地下世界占据了所有生物量的五分之一，但它仍然是一个谜。

“我们没想到会发现这种令人难以置信的微生物多样性。但话说回来，我们对地下微生物在生物地球化学过程中的作用知之甚少，更广泛地说，我们并不知道那里有什么，”Jill Banfield说。伯克利实验室气候与生态系统科学部高级教师科学家，地球与行星科学，环境科学，政策与管理部门的加州大学伯克利分校教授。

加州大学伯克利分校的Karthik Anantharaman是该论文的第一作者，他补充说：“为了更好地理解地下微生物的作用，我们的方法是获取它们的整个基因组。这使我们能够发现微生物之间比我们之前看到的更大的相互依赖性。 “。

该研究是伯克利实验室领导的可持续系统科学重点领域2.0项目的一部分，该项目正在开发对从基因组到流域尺度的陆地环境的预测性理解。该项目的实地研究在科罗拉多州Rifle镇附近的一个研究场所进行，在过去的几年里，科学家们进行了一些实验，旨在刺激天然存在于极低数量的地下微生物种群。

科学家们将这些实验的土壤和水样送到联合基因组研究所进行terabase规模的宏基因组测序。这种高通量方法从环境样品中分离和纯化DNA，然后一次测序一万亿碱基对DNA。接下来，科学家们使用Banfield实验室开发的生物信息学工具来分析数据。

他们的方法重新绘制了生命之树。在这项工作中报告的47个新细菌群和去年发布的35个新组(也见于Rifle现场)之间，Banfield的团队已将已知细菌群的数量增加了一倍。

随着发现获得命名权。科学家们在伯克利实验室和加州大学伯克利分校的研究人员之后命名了许多新的细菌群。例如，在phylochip发明人Gary Andersen之后有Candidatus Andersenbacteria，在CRISPR基因组编辑先驱Jennifer Doudna之后有Candidatus Doudnabacteria。“伯克利现在主宰了生命之树，就像周期表一样，”班菲尔德对伯克利实验室和加州大学伯克利分校发现的16个元素表示赞同。

另一个重要成果是更深入地了解地下微生物在全球重要的碳，氢，氮和硫循环中所起的作用。这些信息有助于更好地在气候模拟等预测模型中表示这些周期。

科学家对含水层系统中检测到的36%的生物进行了代谢分析。他们专注于一种称为代谢切换的现象，这实质上意味着一种微生物的废物是另一种微生物的食物。从实验室研究中可以知道，在某些反应中需要进行切换，但这些互连的网络在现实世界中广泛存在并且复杂得多。

要理解为什么在模型中尽可能准确地代表代谢切换很重要，可以考虑硝酸盐，一种来自肥料的地下水污染物。地下微生物是将硝酸盐还原为无害氮气的主要驱动因素。这个反硝化过程有四个步骤，第三步产生氧化亚氮 - 一种最有效的温室气体。如果进入第四步的微生物在硝酸盐脉冲进入系统时无效，则该过程发生故障。

“如果微生物无法接受氧化亚氮的转移，那么温室气体会逃逸到大气中，”Anantharaman说。

科学家发现，碳，氢，氮和硫循环都是由代谢切换驱动的，这些切换需要微生物之间出乎意料的高度相互依赖性。绝大多数微生物不能完全减少化合物本身。需要一个团队。如果第一串微生物不可用，还有备用微生物准备好执行切换。

“高微生物多样性和通过代谢交接的相互联系的结合可能会导致高度的生态系统恢复能力，”班菲尔德说。