占地面积约40%的干旱土地太干燥，无法在植被方面维持很多。但它们远不是贫瘠的，它们是多种微生物群落的家园，包括真菌，细菌和古细菌 - 它们一起居住在最上面的毫米土壤中。这些生物土壤结皮或生物结壳可以在干燥，休眠状态下长时间存在。当它下雨时，微生物变得具有代谢活性，启动一系列活动，显着改变群落结构和土壤化学。

“这些生物结皮和其他土壤微生物组包含微生物和小分子('代谢产物')的巨大多样性。然而，土壤化学多样性与微生物多样性之间的联系却知之甚少，“劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)资深科学家Trent Northen说。

在2018年1月2日发表的一篇论文中，伯克利实验室的研究人员在Northen实验室的报告中指出，特定的化合物被天然生物土壤结壳(生物结皮)中的特定细菌转化并与之强烈相关，使用一套工具Northen称之为“外部代谢组学。“了解生物结构中的微生物群落如何适应其恶劣的环境，可以提供重要的线索，帮助揭示土壤微生物在全球碳循环中的作用。

这项工作是在2015年的一项研究之后进行的，该研究探讨了在同一土壤的代谢产物环境中培养的生物结壳样品的细菌分离物的混合物中，如何将特定的小分子化合物称为“代谢物”。“我们发现我们研究的微生物是'挑食'，”Northen说。“我们认为我们可以利用这些信息将正在消耗的物质与完整群落中丰富的微生物联系起来，从而将生物学与化学联系起来。”

在这项新研究中，研究人员着手确定在简化的试管系统中观察到的微生物代谢物关系是否可以在更复杂的土壤环境中再现。

来自相同来源的生物结壳 - 代表四个连续的成熟阶段 - 是湿的，并且在五个时间点对土壤水进行取样。通过液相色谱 - 质谱(LC-MS)分析样品以表征代谢物组成(“代谢组学”)，并提取生物碎屑DNA用于鸟枪测序以测量优势微生物物种的单拷贝基因标记(“宏基因组学”) 。

“当我们比较与生物结壳中发现的最丰富的微生物有关的分离细菌的代谢物摄取和生产模式时，我们发现，令人兴奋的是，这些模式得以维持，”Northen说。也就是说，给定微生物的丰度增加与它们消耗的代谢物呈负相关，并与它们释放的代谢物呈正相关。

活跃时，生物结壳会吸收大气中的二氧化碳并固定氮，从而有助于提高生态系统的初级生产力。他们还处理土壤中的有机物质，改变与土壤肥力和水可用性相关的关键特性。

“这项研究表明，微生物代谢物加工的实验室研究有助于了解这些微生物在环境中碳循环中的作用。这项研究让我们更接近了解对营养动态和整体土壤肥力至关重要的复杂食物网，“研究第一作者Tami Swenson说，他是伯克利实验室生物科学领域环境基因组学和系统生物学(EGSB)中Northen小组的科学工程助理。 )分部。

Northen的小组目前正致力于扩大这些研究，以捕获更大比例的微生物多样性。最终，这可以预测陆地微生物生态系统中的养分循环，甚至可能通过添加特定代谢物来进行操作。

以下伯克利实验室的研究人员也为这项研究做出了贡献：本杰明博文是北京EGSB实验室的成员，也是美国能源部科学用户设施联合基因组研究所的成员，帮助分析代谢组学数据;地球与环境科学领域(EESA)的Ulas Karaoz分析了宏基因组学数据;和生物科学生物系统和工程部门的博士前研究员Joel Swenson帮助进行相关和统计分析。