玉米秸稈沙沙作響，拖拉機(jī)滾動(dòng)，他們的輪子磨成堪薩斯州的土壤。雖然看起來(lái)農(nóng)民和機(jī)器在現(xiàn)代農(nóng)場(chǎng)上進(jìn)行大部分工作，但大部分繁重工作都在地表之下。美國(guó)中西部的大草原是這個(gè)星球上最復(fù)雜的生物系統(tǒng)之一，肉眼無(wú)法看到。由能源部科學(xué)辦公室支持的研究人員正在繪制這個(gè)微生物群落的基因圖，這項(xiàng)努力可以解開(kāi)遺傳學(xué)，生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)的新方法。

曾經(jīng)被稱為美國(guó)的糧倉(cāng)，大草原的生產(chǎn)性土壤比國(guó)??內(nèi)任何其他地方都含有更多的碳。儲(chǔ)存碳對(duì)于限制氣候變化和維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力至關(guān)重要。然而，由于耕作等農(nóng)業(yè)實(shí)踐，土壤已經(jīng)儲(chǔ)存了20%至60%的碳。

“[大草原]是世界上最偉大的資源之一，”密歇根州立大學(xué)的微生物學(xué)家James Tiedje說(shuō)。

為了更好地了解支持這種生態(tài)系統(tǒng)生育能力的微生物，與科學(xué)辦公室用戶設(shè)施聯(lián)合基因組研究所(JGI)合作的研究人員正在應(yīng)對(duì)Great Prairie Metagenome Grand Challenge。只有半茶匙的土壤容納了數(shù)十億的微生物細(xì)胞，這些微生物細(xì)胞可以進(jìn)行碳和氮循環(huán)等基本過(guò)程。但科學(xué)家并不完全了解它們?nèi)绾伟l(fā)揮作用或?qū)Νh(huán)境變化做出反應(yīng)。

“在過(guò)去，微生物只被認(rèn)為是次要的，因?yàn)樗鼈兒苄《铱床灰?jiàn)，”Tiedje說(shuō)。“但他們的生化能力是巨大的。而且它們基本上對(duì)我們免費(fèi)工作。”

在地下并進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室

由于大多數(shù)這些微生物很難在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，研究人員直接找到了來(lái)源 - 愛(ài)荷華州，威斯康星州和堪薩斯州的田地和草原。為了研究養(yǎng)殖土地和原生草原之間微生物多樣性和豐度的差異，他們比較了8個(gè)地點(diǎn)：3個(gè)從未種植的地方，3個(gè)種植玉米超過(guò)50年的地方，1個(gè)地點(diǎn)有柳枝稷(原生植物)可用于制造生物燃料的生物燃料，以及一個(gè)在長(zhǎng)期種植后恢復(fù)到草原的地方。

科學(xué)家的任務(wù)始于夏季炎熱，當(dāng)時(shí)植物生長(zhǎng)達(dá)到頂峰。在清除了草，野花和玉米秸稈之后，研究人員將一個(gè)土壤修整器插入地面五英寸。對(duì)于所有這些努力，他們每個(gè)位置只提取了1平方厘米的土壤及其相關(guān)的微生物 - 略小于糖塊的大小。為了保存珍貴的微生物貨物，他們將它在冰上運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室。

這就是真正的挑戰(zhàn)開(kāi)始的地方。宏基因組學(xué)研究匯集了社區(qū)內(nèi)所有單個(gè)微生物的基因組，統(tǒng)稱為微生物組。為了對(duì)單個(gè)生物體的基因組進(jìn)行測(cè)序，科學(xué)家必須在其DNA內(nèi)識(shí)別所有核苷酸的順序 - 作為遺傳構(gòu)建模塊的四個(gè)堿基對(duì)。對(duì)于人類基因組計(jì)劃，科學(xué)家們分離并研究了具有約30億個(gè)核苷酸的人類DNA。相比之下，一克大草原土壤 - 大約一小撮鹽 - 含有超過(guò)一萬(wàn)億個(gè)DNA(比人類基因組多300倍)，來(lái)自超過(guò)100,000種不同的物種。

承擔(dān)研究風(fēng)險(xiǎn)

事實(shí)上，Great Prairie項(xiàng)目產(chǎn)生了如此復(fù)雜的數(shù)據(jù)，當(dāng)它在2009年開(kāi)始時(shí)，JGI為它提供了比單個(gè)項(xiàng)目更多的測(cè)序資源。

“當(dāng)時(shí)大膽，”太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室生物科學(xué)部門(mén)主任珍妮特?fù)P森說(shuō)。在JGI提供資源的同時(shí)，來(lái)自多個(gè)DOE國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)的研究人員正在合作開(kāi)展該項(xiàng)目。

在挑戰(zhàn)之前，科學(xué)家們認(rèn)為將單個(gè)微生物的基因組拼湊起來(lái)可能是不可能的。但這些投資產(chǎn)生了開(kāi)辟新研究領(lǐng)域的工具和平臺(tái)。

科學(xué)家們開(kāi)始采用一種稱為鳥(niǎo)槍測(cè)序的通用過(guò)程。這個(gè)過(guò)程將長(zhǎng)片DNA切割成相同大小的片段，分析構(gòu)成它們的堿基對(duì)的順序，然后將這些片段重新組合在一起。這就像打碎彩色玻璃窗，在顯微鏡下觀察碎片，然后重新組裝它們。然而，在基因組的情況下，研究人員不知道原始的“圖片”是什么。雖然這種技術(shù)不可避免地會(huì)留下空白，但研究人員必須分析這種類型的基因組信息。

通常，功能強(qiáng)大的軟件會(huì)搜索數(shù)據(jù)庫(kù)，以查看所研究的微生物基因是否與研究人員之前測(cè)序的相似。但科學(xué)家可以將不到一半的大草原微生物蛋白與現(xiàn)有信息相匹配。

所以他們從零開(kāi)始。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾以使其更簡(jiǎn)單但仍然具有代表性之后，他們通過(guò)將樣本中的不同部分彼此進(jìn)行比較來(lái)拼湊基因組的序列。

“如果你能在堪薩斯州的原始草原上實(shí)現(xiàn)基因組分組，你可以在任何地方進(jìn)行，”Jansson說(shuō)。從分析的角度來(lái)看，她說(shuō)，“就高度多樣性和復(fù)雜性而言，這是最糟糕的情況。”

生物學(xué)語(yǔ)言

以前，研究草原微生物組很像用外語(yǔ)看電影 - 你可以看到人們?cè)谧鍪?，但不知道為什么或如何做。?duì)這些微生物基因進(jìn)行測(cè)序可以提供字典。科學(xué)家仍然沒(méi)有完整的劇本，但這是邁向更廣泛理解的第一步。

來(lái)自全國(guó)各大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)在利用這些數(shù)據(jù)來(lái)研究土地管理實(shí)踐如何影響微生物群落。他們發(fā)現(xiàn)原生草原的微生物生物量是養(yǎng)殖區(qū)域的兩倍，這是其質(zhì)量和健康的關(guān)鍵指標(biāo)。

此外，他們發(fā)現(xiàn)種植似乎不僅減少了數(shù)量，而且減少了土壤類型和地理的大部分自然多樣性。愛(ài)荷華州原住民草原上的微生物組與威斯康星州原生草原的微生物組有很大不同。相比之下，無(wú)論它們位于何處，耕地都有類似的微生物。

但科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)了一些令人驚訝的事情 - 耕種區(qū)域的微生物種類總數(shù)平均高于本土種類。也許肥料的使用能提供更多的氮并模擬植物生長(zhǎng)，為許多不同的微生物提供更多的食物。在原生草原上，微生物需要競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素，包括氮和磷。它們還可以從死亡和垂死的植物中獲得更少的碳。不需要與營(yíng)養(yǎng)素競(jìng)爭(zhēng)太多就可能導(dǎo)致養(yǎng)殖區(qū)域的微生物多樣性。

“我們這個(gè)星球上的生命依賴于我們所知甚少的微生物，”Jansson說(shuō)。

為了使未來(lái)的研究能夠進(jìn)一步探索基因，蛋白質(zhì)和微生物功能之間的聯(lián)系，Great Prairie數(shù)據(jù)可在JGI的基因組門(mén)戶中公開(kāi)獲得。Great Prairie Metagenome Grand Challenge只是JGI支持的數(shù)千個(gè)微生物基因組學(xué)復(fù)雜項(xiàng)目之一。