微生物转录组模式揭示干旱土壤在模拟湿润条件下成土相关活动增强

为探究干旱半干旱土壤在湿润化下的发展，研究人员开展模拟实验，发现干旱土壤微生物响应积极，影响土壤发展。

　　在地球广袤的陆地表面，约 40% 被干旱和半干旱生态系统覆盖。在这些地区，土壤就像被 “锁住” 了一样，发展缓慢。低降水量和高蒸发率限制了土壤的形成，微生物的生存也面临诸多挑战。比如，水分的匮乏威胁着微生物的多样性和数量，使得土壤中微生物的 “小世界” 变得单调，它们之间的相互作用也受到影响。而且，在干旱环境下，微生物参与的关键土壤形成过程，像土壤团聚体的稳定、矿物质的风化以及有机物的形成等，都受到了阻碍。更重要的是，尽管科学家们对微生物适应干旱环境有了一定了解，但它们在土壤形成中的具体作用，以及干旱和半干旱地区土壤微生物的差异，仍然是未解之谜。与此同时，气候变化带来了新的变数，有研究预测干旱地区会出现极端降水和湿润化趋势，这又会对土壤微生物和土壤形成产生怎样的影响呢？这一系列问题就像一团迷雾，笼罩着科研人员。

为了拨开这团迷雾，来自德国 GFZ Helmholtz Centre for Geosciences 等机构的研究人员 Victoria Rodríguez、Alexander Bartholom?us 等人展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Environmental Microbiome》上，为我们揭示了干旱和半干旱土壤在湿润条件下的奥秘。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先是气候模拟实验，他们选取了智利海岸山脉的两个地点，分别是干旱的 Pan de Azúcar 国家公园（PA）和半干旱的 Santa Gracia 自然保护区（SG），采集土壤样本后，在实验室模拟湿润气候条件，就像是为土壤创造了一个 “人工小气候”。接着，对土壤样本进行理化分析，检测包括 pH、电导率（EC）、总有机碳（TOC）等多种指标，了解土壤的基本性质。然后，利用宏基因组和元转录组测序技术，分析土壤微生物的基因组成和表达情况，这就好比是给微生物的 “基因密码” 做了一次全面的解读。

研究结果十分丰富。在土壤物理和化学性质方面，PA 和 SG 的土壤差异明显。PA 土壤 pH 更高、钠含量更多、TOC 和总氮（Nt?）含量更低，土壤团聚体稳定性也较差。在模拟湿润气候条件下，PA 土壤的 pH、EC、钠、硝酸盐和硫酸盐浓度都有所下降，而 SG 土壤的 EC 降低，TOC 也略有下降。同时，两个地点的土壤宏团聚体增加，大微团聚体减少，土壤团聚体稳定性增强，而且微生物 - 植物处理的土壤团聚体稳定性更高。

从微生物群落结构来看，细菌在土壤微生物群落中占主导地位。在 PA，主要的细菌门有放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）和芽单胞菌门（Gemmatimonadota）；在 SG，变形菌门和放线菌门占主导。从转录活性群落分析，假单胞菌门（Pseudomonadota）和放线菌门在两个地点都与土壤早期发育的特定功能相关。

在功能特征方面，PA 土壤微生物在湿润条件下，与风化相关的基因表达增强，如参与无机磷溶解的 gcd 基因，这意味着微生物溶解矿物质磷的能力增强，能加速岩石中磷的释放。同时，参与胞外多糖（EPS）和脂多糖（LPS）代谢的基因表达增加，促进了土壤微团聚体的形成，增强了土壤结构的稳定性。在碳代谢方面，PA 土壤中最初占主导的卡尔文循环（Calvin cycle）基因表达下降，而还原性三羧酸循环（rTCA）基因表达上升，这表明微生物的碳固定途径发生了转变。在氮代谢方面，PA 土壤中氮固定基因转录缺失，反硝化、异化硝酸盐还原等过程也受到限制，而 SG 土壤中这些过程相对活跃。在磷代谢方面，PA 土壤中与磷吸收和转运相关的基因表达上调，显示出微生物在低磷环境中对磷的高效利用。

研究结论和讨论部分意义重大。研究表明，湿润条件下，PA 土壤微生物活性增强，促进了土壤的发展和稳定。微生物驱动的风化作用在低生物可利用磷的土壤中增强，EPS 代谢的增强有助于土壤团聚体的形成。同时，微生物群落对环境变化的适应改变了土壤的碳、氮、磷动态。而 SG 土壤由于其自身特性，对湿润条件的响应相对稳定。这些发现揭示了微生物与环境的相互作用对土壤动态、发展和功能的重要影响，为理解全球气候变化下土壤的演变提供了重要依据，也为土壤的保护和管理提供了新的思路和方向。