Science：全球首份全球土壤細菌分布圖出爐

變形菌門是全球土壤中相對丰度最高的一類細菌，我們熟悉的大腸桿菌就屬於變形菌門。

科羅拉多大學波爾德分校的科學家在《科學》雜誌公布了第一份全球土壤細菌群落分布圖。在全球範圍內分布最廣的細菌都有哪些？

撰文 | 《環球科學》特約記者顏磊

細菌對人們來說並不陌生。大部分人對細菌的第一印象是：有害健康。確實，它們有時會引起我們的身體不適，因此殺菌是搞衛生的重點工作。不過人其實是離不開細菌的。人的腸道里就住著大量細菌，它們分泌的一些物質參與人體代謝，還能抑制有害細菌的繁殖，是維持人體健康平衡的重要力量。如果你濫用抗生素，誤傷到腸道里的「益生菌」，那可是得不償失。

土壤中藏著各種各樣的細菌，自然是細菌研究者不能忽視的研究對象。土壤中的細菌雖然非常微小，但集合在一起卻佔了地球上生物總質量的很大一部分，而且它們在碳循環和養分轉化方面起到重要作用。人們知道土壤中存在著各種各樣的細菌，但沒有人像對待動植物那樣系統地研究過它們的種類和群落分布。你在路邊花壇里挖一勺土，裡面就可能藏著上萬種細菌。對於其中大部分種類，科學家沒有記錄過，也沒有實驗室人工養殖的方法，有很多連名字都沒有。考慮到細菌的重要性，這方面知識的缺失顯得有點遺憾。

好在科羅拉多大學波爾德分校（University of Colorado Boulder）的科學家們填補了這一空白。他們最近做了一件造福所有細菌研究者的事情——在《科學》雜誌公布了第一份全球土壤細菌群落分布圖。

這份分布圖詳細描繪了土壤細菌的分布狀況，為細菌相關的營養物循環、土壤肥力、抗生素研究等領域提供了有力工具。

研究人員從除南極洲以外的6大洲18個國家取來237份土壤樣品。涵蓋的地貌包括針葉林、寒林、落葉林、乾燥林、熱帶雨林、高寒草原、溫帶/熱帶草原、乾燥草原和灌木地。然後，他們利用DNA測序技術統計不同土壤中細菌的種類。

全球土壤分布特徵（圖片來源：Delgado-Baquerizo et al. Science, 2018）

對於這項橫跨全球的研究項目，文章的第一作者、科羅拉多大學博士後研究員曼紐爾·德爾加多-巴克里索（Manuel Delgado-Baquerizo）博士表示：「能完成這項工作，首先要歸功於高效的國際合作。所有土壤樣品的性質測試都在西班牙胡安卡洛斯國王大學（Universidad Rey Juan Carlos）完成；而澳大利亞西悉尼大學（Western Sydney University）則負責細菌群落的分析。」

結果很讓人吃驚，他們發現細菌界的「貧富差距」非常大。和人類社會創造的82%的財富都流向1%人口的現實類似，2%的細菌品種（511種）廣泛分布在近乎一半的土壤樣品中。換句話說，大部分細菌都只能在特定的環境中生存，只有少數細菌適應能力超強，這可能也是科學家需要重點關注的對象。

各類細菌在土壤中的相對丰度（圖片來源：Delgado-Baquerizo et al. Science, 2018）

如果把不同細菌品種看作互相競爭的國家，那麼細菌界的「超級大國」非變形菌門和放線菌門莫屬了。當然它們都不是單獨某一種細菌，而是一大類細菌的統稱。變形菌門的相對丰度最高，超過35%。放線菌門緊隨其後，也超過30%。第三名酸桿菌門相對丰度還不到15%，差距明顯。變形菌門麾下有大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌、幽門螺桿菌等一眾著名細菌，而放線菌門在名氣上稍有落後。

細菌群落分布和一些環境因素的相關性也引起了研究者的興趣。以土壤的酸鹼度為例，他們發現細菌可能更偏愛鹼性土壤（高pH）。有108種常見細菌分布在鹼性土壤中，酸性土壤（低pH）中只有36種。此外，植物數量、濕度等因素也是考察的對象。

掌握了常見細菌對環境因素的偏好以及全球各地不同氣候、土壤條件，研究者就可以對這些細菌在全球的分布情況做預測。根據預測結果，喜好鹼性土壤的細菌在中亞和北非的戈壁、草原分布較廣；而喜好酸性土壤的細菌則分布在俄羅斯、歐洲、南美洲、南部非洲等地區；乾燥氣候中生存的細菌則集中在撒哈拉沙漠、中東、中亞、澳洲等地區。

不過這項研究給出的預測結果在代表性上還有進一步提高的空間。它的土壤樣品主要來源於美國，其次是南美洲各國。英國、西班牙、摩洛哥和澳大利亞也提供了較多土壤樣品。但研究者只取了蒙古東部和中東地區的一些土壤代表廣袤的亞洲。撒哈拉沙漠以南的非洲大陸僅提供了一份樣品。而亞洲和非洲正是生物多樣性最豐富的陸地。把這個版本的分布圖當作美國土壤細菌研究的工具可能是最準確的。

掌握土壤細菌的分布對很多研究都大有裨益。近年來，醫學界和各國政府都在宣傳抗生素濫用帶來的危害。一些細菌對大部分舊有抗生素產生耐藥性，變成超級細菌，危害人類健康。除了防止抗生素濫用，發現新型抗生素也非常迫切。抗生素是某些細菌或真菌分泌的「生化武器」，用來殺死周圍的競爭對手，以佔領有限的食物和空間。而土壤正是產生抗生素的「修羅場」。2015年，NovoBiotic公司和美國東北大學研究人員從土壤細菌中發現了抗生素Teixobactin，被譽為近30年來首個新型抗生素。實際上，很多科學家已經開始在火山、冰川、沙漠等極端環境中尋找新的菌落和抗生素。

在談到下一步計劃時，紐曼爾說：「這份地圖集只是我們整個研究計劃的開始。在土壤中發現的細菌中80%的品種都沒有名字，也不知道習性。將來我們打算集中研究分布最廣的500多種細菌，把它們分離出來，研究它們的特點和對生態系統的作用。」

此外，他還建議想做類似工作的中國同行們，最好儘早收集土壤樣本。他們在實驗室中進行測序和數據分析只花了一年時間，但收集那麼多土壤樣本卻持續了十年之久。

我們期待中國版的土壤細菌分布圖儘早完成。

作者簡介：顏磊是清華大學基礎分子科學中心博士生

參考資料：

【1】A global atlas of the dominant bacteria found in soil. Science, 2018, 359, 320-325. DOI: 10.1126/science.aap9516

【3】A new antibiotic kills pathogens without detectable resistance. Nature, 517, 455-459.Doi:10.1038/nature14098

《環球科學》全年訂閱限時優惠

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！