生長是微生物群落的基本屬性，支撐著無數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的功能，例如，微生物生長的增加是以微生物資源獲取為代價的，從而影響土壤碳源的分解速率，微生物會將同化的碳源分配到生長和其他代謝過程中，這也是土壤有機質形成的關鍵驅動力。
同樣，微生物群落、土壤碳源和全球氣候之間的關鍵反饋也是生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要部分。盡管越來越多的研究詳細介紹了土壤細菌群落的分類和功能組成，但這些群落的生活史特征在很大程度上仍然是未知的。
因此，為了更好的理解和預測生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和儲存的變化，需要更好的了解微生物生長潛力的模式和驅動因。
近日，來自美國愛達荷大學生物科學系的Michael S.Strickland團隊，在《Nature Communications》雜志發(fā)表了題為“Global patterns in the growth potential of soil bacterial communities”的文章。
該研究通過對一個全球土壤宏基因組數(shù)據(jù)集進行分析，以探究細菌的生長潛力的環(huán)境驅動因素，發(fā)現(xiàn)細菌生產力在全球范圍內總體上反映了生態(tài)系統(tǒng)的生產力，且土壤細菌的生長潛力與碳水化合物代謝相關基因的相對豐度呈負相關。該研究證明了細菌生長是驅動全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關鍵因素。
首先，研究使用密碼子使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)評估了從六大洲的11個陸地生物群落中采樣的176個土壤宏基因組中的細菌生長潛力。
估計的最大生長速率在生物群落中表現(xiàn)出顯著的變化，在熱帶和溫帶/北緯地區(qū)觀測到較高的最大生長速率，而在干旱的亞熱帶地區(qū)觀測到較低的最大生長速率（圖1A）。從緯度的角度分析，森林生物群落的最大生長速率普遍較高（圖1B）。
圖1土壤細菌群落生長潛力的全球模式
也評估了群落平均16S rRNA基因拷貝數(shù)，結果發(fā)現(xiàn)平均16S rRNA基因拷貝數(shù)與最大生長速率顯著正相關，最大生長速率與平均基因組大小呈弱正相關（圖1C、1D）。由此，表明了土壤細菌在脅迫耐受性和生長潛力之間存在著根本性的權衡。
圖2隨機森林回歸模型顯示細菌群落平均最大生長速率的最強環(huán)境預測因子
生長速率與土壤濕度、土壤有機碳含量和碳氮含量比呈正向相關，與土壤pH呈負相關。為了確定細菌生長潛力的最強統(tǒng)計預測因素，作者使用隨機森林回歸模型進行分析，隨機森林回歸模型證明了土壤pH值、土壤碳氮比和赤道距離是最大生長速率的最強預測因素（圖2）。在該研究中，發(fā)現(xiàn)土壤細菌群落的生產力反映了其所處的生態(tài)系統(tǒng)的生產力，這也表明了一個生態(tài)系統(tǒng)的生產力通過能量和養(yǎng)分的鏈式傳遞，帶動了該生態(tài)系統(tǒng)內所有生物的生產力。
圖3生長潛力與功能基因的關系
其次，假設細菌生長潛力與細菌群落的碳循環(huán)功能相關。研究重點關注了編碼參與碳水化合物代謝和運輸?shù)幕蛞约澳芰慨a生和轉換的基因的相關豐度，研究發(fā)現(xiàn)最大生長速率與能量產生和轉換的基因的相對豐度呈正相關，與碳水化合物代謝和轉運的基因的相對豐度呈負相關（圖3）。
同時，研究也觀察到細菌生長潛力與能量產生和轉換的基因之間的正相關關系表明，高生長潛力與同化的碳資源向能量的轉換有關，而不是生物量的增加。細菌的快速生長反過來可能會通過增加微生物殘留物的產生來促進土壤有機質的形成，或隨著生長速度的加快，碳利用效率的降低可能會降低土壤有機質的形成速度，這也提出了未來的研究中應嘗試探究潛在的碳循環(huán)途徑與細菌生長潛力的關系。
圖4氣候、土壤、細菌群落生長潛力和碳循環(huán)功能基因之間的聯(lián)系
最后，研究通過結構方程模型（SEM）進行了總結，說明了氣候、土壤性質、細菌生長潛力和碳循環(huán)功能之間的聯(lián)系（圖4），即細菌的生長潛力主要由土壤性質驅動，如水分和碳物質的有效性，又反過來受生產力（如生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力、與赤道的距離）的控制。
該研究結果表明生物群落之間的細菌生長潛力的變化將驅動來自不同環(huán)境的土壤中分解和儲存碳的不同速率，細菌群落的功能和分類學特征中的這些宏觀生態(tài)模式與這些群落的生長潛力有根本的聯(lián)系。該研究建立了一個微生物生理框架，對未來更好地了解全球范圍內的土壤碳物質的分解和儲存起到了至關重要的作用。