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新模型预测哪些土壤生物种类生活在不同的环境中

虽然它可能看起来没有生命,但我们脚下的土壤非常有活力。它充满了无数微生物,它们积极分解有机物质,如落叶和植物,并执行许多其他功能,以维持我们脚下地下储存的碳和养分的自然平衡。

“土壤主要是微生物,有活的也有死的,”土壤微生物学家、波士顿大学艺术与科学学院生物学助理教授 Jennifer Bhatnagar 说。她说,在离地面的一小撮土壤中看到数百种不同类型的真菌和细菌是很常见的,她说,这使其成为现存最多样化的生态系统之一。

因为关于土壤生物还有很多未知,直到现在科学家们还没有试图预测某些物种或土壤微生物群在世界各地生活的位置。但是,了解这些生物体——它们太小而无法用肉眼看到——是更好地了解土壤微生物组的关键,土壤微生物组由共同生活的不同微生物群落组成。

包括 Bhatnagar 在内的一组 BU 生物学家接受了这一挑战——他们的研究首次表明,可以准确预测世界不同地区不同种类土壤微生物的丰度。该团队最近在Nature Ecology & Evolution 的一篇新论文中发表了他们的发现。

“如果我们知道生物在地球上的位置,我们知道它们如何因不同的环境力量而随空间和时间发生变化,以及不同物种正在做什么,那么我们就可以更好地预测这些群落的功能将如何变化碳和养分循环的术语,”Bhatnagar 说。这种知识将对农业、气候变化和公共卫生产生巨大影响。

Michael Dietze,BU艺术与科学学院地球与环境研究高级作者兼教授

Dietze、Bhatnagar 和他们实验室的研究人员联手开展了该项目,该项目涉及分析国家生态观测网络 (NEON) 研究站点收集的数百个土壤样本。

Bhatnagar 和她的实验室成员为团队带来了他们的土壤专业知识,而 Dietze 和他的实验室则提供了他们独特的能力来开发精确的生态预测和近期环境预测。

该团队了解到,微生物的可预测性随着​​空间面积的增加而增加,因此他们的模型预测的土地面积越大,对那里生活的微生物类型的预测就越有可能准确。

Dietze 说,随着研究人员在系统发育尺度上观察更高的生物群,准确预测可能在给定土壤样本中发现哪些微生物的能力也有所提高,系统发育尺度是一种根据进化相关性对生物进行分类的系统。

在规模的最小端,“物种”代表最精细的分类级别;另一方面,“门”构成了最大和最多样化的生物群。他们惊讶地发现,与单个物种相比,他们能够更好地预测整个门的存在。

在收到来自 NEON 的土壤样本的基因组数据后,研究团队的预测模型考虑了土壤来源地特定的环境因素——那里生活着什么植物、土壤酸度 (pH)、温度、气候等等。其他。

他们发现他们的模型最能根据微生物与当地植物物种的共生关系来预测它们的存在。例如,菌根真菌是一种非常常见的土壤微生物,大约 90% 的植物家族都与之相关,包括新英格兰的松树和橡树。

相比之下,研究小组发现,根据与土壤酸度的关系来预测大群生物更加困难。Bhatnagar 说,尽管知道土壤酸度水平,以及哪种类型的细菌通常喜欢生活在该环境中,但他们的模型无法准确预测土壤样本中实际存在的细菌数量。

“这意味着除了与 [酸度] 的关系之外,还有其他东西,超出了我们通常在生态系统中测量的任何其他环境因素的关系,”她说。

现在,Dietze 和 Bhatnagar 的团队正在将他们的预测扩展到仅根据微生物的位置来预测微生物,还包括一年中的特定时间。

“建立一个预测美国各地土壤微生物组的框架将提高我们对季节性和年际变化的理解,”在 Bhatnagar 实验室工作的博士生、该论文的作者 Zoey Werbin 说。“这可以帮助我们预测气候变化如何影响分解或氮循环等微生物过程。”

通过她的论文项目,Werbin 希望回答有关土壤微生物组如何以及为何随时间和空间变化的基本问题。

“我们了解得越多,我们就越意识到土壤微生物对农业、公共卫生和气候变化的重要性。研究微生物如何产生如此大规模的影响真的很令人兴奋,”韦尔宾说。

“我们知道某些因素,如温度和湿度,会影响微生物群落。但我们不知道这些因素与自然变异或微生物之间的相互作用相比有多重要。我的博士项目将帮助确定土壤微生物组的驱动力,以及最大的不确定性来源。”

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