地球的"活皮肤" - 生物土壤结皮受到气候变化的威胁

共焦扫描激光显微镜拍摄的生物簇截面图。土壤颗粒呈现出深浅不一的灰色，而蓝藻丝束（荧光红色）则位于土壤颗粒之间。资料来源：宾夕法尼亚州立大学

研究人员最近在《微生物学前沿》（Frontiers of Microbiology）杂志上发表了他们的研究成果。

研究小组负责人、宾夕法尼亚州立大学土壤与环境微生物学助理教授埃斯特尔-库拉多（Estelle Couradeau）说："生物簇目前覆盖了地球陆地表面约12%的面积，由于气候变化和土地使用的加剧，我们预计它们将在65年内减少约25%到40%。我们希望这项工作能为了解支持生物结壳抵御快速变化的气候模式和更频繁干旱的微生物功能铺平道路。"

生物土壤板结是生物的集合体，在土壤中形成一个常年、组织良好的表层。它们分布广泛，遍布各大洲，只要缺水限制了普通植物的生长，让光照进入裸露的土壤，它们就会出现。但仍有足够的水支持微生物的生长，这些微生物提供宝贵的生态系统服务，如从空气中吸收碳和氮并将其固定在土壤中、循环利用养分以及将土壤颗粒固定在一起，从而有助于防止尘土飞扬。

宾夕法尼亚州立大学研究生瑞安-特雷克斯勒（Ryan Trexler）从野外采集生物菌核，然后带回实验室进行研究。图片来源：宾夕法尼亚州立大学

Couradeau 认为，这种土壤稳定功能非常重要，它能使土壤凝结成块，不会分解成灰尘，从而减少水土流失。她的研究小组现在宾夕法尼亚州立大学农业科学学院工作，十年来一直在深入研究生物簇。

她说："大多数灰尘都是在旱地产生的，而研究表明，旱地中生物簇的存在大大减少了原本会进入大气层的灰尘量。我们认为，失去生物壳会导致全球尘埃排放量和沉积量增加5%到15%，这将影响气候、环境和人类健康。"

在存在生物簇的半干旱地区，生物--微小的苔藓、地衣、绿藻、蓝藻、其他细菌和真菌--可能一年只经历几次雨雪天气，带头进行这项研究的生态学和生物地球化学跨学院研究生学位项目的博士候选人瑞安-特雷克斯勒解释说。

他说："土壤干燥时，土壤中的微生物大多处于休眠状态，不会做什么。但是，一旦它们感知到水，就会在几秒到几分钟内迅速复苏。它们会积极制造叶绿素，固定碳和氮，直到土壤再次干燥--然后微生物再次休眠。每次下雨，它们都会经历活动周期。"

犹他州摩押附近科罗拉多高原的景色，秋季降雨后，土壤湿润，足以激活微生物，因此在这里采集了生物簇样本。资料来源：宾夕法尼亚州立大学

为了研究生物簇，研究人员从犹他州摩押附近科罗拉多高原上三块未受干扰、以蓝藻为主的生物簇中采集了样本。生物簇样本是在秋季降雨后采集的，雨水充分湿润了土壤，从而激活了微生物。样本随后被烘干并保存在黑暗中，然后在研究后期重新浸湿。

特雷克斯勒说："我们取样的地方被称为'寒冷沙漠'，因为那里非常干旱，但冬天有时会下雪。因此，那里不像其他许多干旱地区那样炎热，但植物仍然无法在那里生长，因为没有足够的水。因此，我们在该地土壤中发现的唯一群落就是微生物。"

为了确定哪些微生物活跃在土壤群落中，研究人员将生物正交非规范氨基酸标记（称为 BONCAT）与荧光激活细胞分选相结合。BONCAT 是在群落和整个生物体内追踪单细胞蛋白质合成的强大工具，而荧光激活细胞分拣则根据细胞是否正在产生新蛋白质对其进行分拣。

研究人员将这些过程与霰弹枪元基因组测序结合起来，从而对生物簇样本中所有生物的所有基因进行了全面采样。他们利用这种方法，对生物簇群落中的活性和非活性微生物的多样性和潜在功能能力进行了剖析。