变形菌门是全球土壤中相对丰度最高的一类细菌，我们熟悉的大肠杆菌就属于变形菌门。
科罗拉多大学波尔德分校的科学家在《科学》杂志公布了第一份全球土壤细菌群落分布图。在全球范围内分布最广的细菌都有哪些？
撰文 | 《环球科学》特约记者 颜磊
细菌对人们来说并不陌生。大部分人对细菌的第一印象是：有害健康。确实，它们有时会引起我们的身体不适，因此杀菌是搞卫生的重点工作。不过人其实是离不开细菌的。人的肠道里就住着大量细菌，它们分泌的一些物质参与人体代谢，还能抑制有害细菌的繁殖，是维持人体健康平衡的重要力量。如果你滥用抗生素，误伤到肠道里的“益生菌”，那可是得不偿失。
土壤中藏着各种各样的细菌，自然是细菌研究者不能忽视的研究对象。土壤中的细菌虽然非常微小，但集合在一起却占了地球上生物总质量的很大一部分，而且它们在碳循环和养分转化方面起到重要作用。人们知道土壤中存在着各种各样的细菌，但没有人像对待动植物那样系统地研究过它们的种类和群落分布。你在路边花坛里挖一勺土，里面就可能藏着上万种细菌。对于其中大部分种类，科学家没有记录过，也没有实验室人工养殖的方法，有很多连名字都没有。考虑到细菌的重要性，这方面知识的缺失显得有点遗憾。
好在科罗拉多大学波尔德分校（University of Colorado Boulder）的科学家们填补了这一空白。他们最近做了一件造福所有细菌研究者的事情——在《科学》杂志公布了第一份全球土壤细菌群落分布图。
这份分布图详细描绘了土壤细菌的分布状况，为细菌相关的营养物循环、土壤肥力、抗生素研究等领域提供了有力工具。
研究人员从除南极洲以外的6大洲18个国家取来237份土壤样品。涵盖的地貌包括针叶林、寒林、落叶林、干燥林、热带雨林、高寒草原、温带/热带草原、干燥草原和灌木地。然后，他们利用DNA测序技术统计不同土壤中细菌的种类。
全球土壤分布特征（图片来源：Delgado-Baquerizo et al. Science, 2018）
对于这项横跨全球的研究项目，文章的第一作者、科罗拉多大学博士后研究员曼纽尔·德尔加多-巴克里索（Manuel Delgado-Baquerizo）博士表示：“能完成这项工作，首先要归功于高效的国际合作。所有土壤样品的性质测试都在西班牙胡安卡洛斯国王大学（Universidad Rey Juan Carlos）完成；而澳大利亚西悉尼大学（Western Sydney University）则负责细菌群落的分析。”
结果很让人吃惊，他们发现细菌界的“贫富差距”非常大。和人类社会创造的82%的财富都流向1%人口的现实类似，2%的细菌品种（511种）广泛分布在近乎一半的土壤样品中。换句话说，大部分细菌都只能在特定的环境中生存，只有少数细菌适应能力超强，这可能也是科学家需要重点关注的对象。
各类细菌在土壤中的相对丰度（图片来源：Delgado-Baquerizo et al. Science, 2018）
如果把不同细菌品种看作互相竞争的国家，那么细菌界的“超级大国”非变形菌门和放线菌门莫属了。当然它们都不是单独某一种细菌，而是一大类细菌的统称。变形菌门的相对丰度最高，超过35%。放线菌门紧随其后，也超过30%。第三名酸杆菌门相对丰度还不到15%，差距明显。变形菌门麾下有大肠杆菌、沙门氏菌、霍乱弧菌、幽门螺杆菌等一众著名细菌，而放线菌门在名气上稍有落后。
细菌群落分布和一些环境因素的相关性也引起了研究者的兴趣。以土壤的酸碱度为例，他们发现细菌可能更偏爱碱性土壤（高pH）。有108种常见细菌分布在碱性土壤中，酸性土壤（低pH）中只有36种。此外，植物数量、湿度等因素也是考察的对象。
掌握了常见细菌对环境因素的偏好以及全球各地不同气候、土壤条件，研究者就可以对这些细菌在全球的分布情况做预测。根据预测结果，喜好碱性土壤的细菌在中亚和北非的戈壁、草原分布较广；而喜好酸性土壤的细菌则分布在俄罗斯、欧洲、南美洲、南部非洲等地区；干燥气候中生存的细菌则集中在撒哈拉沙漠、中东、中亚、澳洲等地区。
不过这项研究给出的预测结果在代表性上还有进一步提高的空间。它的土壤样品主要来源于美国，其次是南美洲各国。英国、西班牙、摩洛哥和澳大利亚也提供了较多土壤样品。但研究者只取了蒙古东部和中东地区的一些土壤代表广袤的亚洲。撒哈拉沙漠以南的非洲大陆仅提供了一份样品。而亚洲和非洲正是生物多样性最丰富的陆地。把这个版本的分布图当作美国土壤细菌研究的工具可能是最准确的。
掌握土壤细菌的分布对很多研究都大有裨益。近年来，医学界和各国政府都在宣传抗生素滥用带来的危害。一些细菌对大部分旧有抗生素产生耐药性，变成超级细菌，危害人类健康。除了防止抗生素滥用，发现新型抗生素也非常迫切。抗生素是某些细菌或真菌分泌的“生化武器”，用来杀死周围的竞争对手，以占领有限的食物和空间。而土壤正是产生抗生素的“修罗场”。2015年，NovoBiotic公司和美国东北大学研究人员从土壤细菌中发现了抗生素Teixobactin，被誉为近30年来首个新型抗生素。实际上，很多科学家已经开始在火山、冰川、沙漠等极端环境中寻找新的菌落和抗生素。
在谈到下一步计划时，纽曼尔说：“这份地图集只是我们整个研究计划的开始。在土壤中发现的细菌中80%的品种都没有名字，也不知道习性。将来我们打算集中研究分布最广的500多种细菌，把它们分离出来，研究它们的特点和对生态系统的作用。”
此外，他还建议想做类似工作的中国同行们，最好尽早收集土壤样本。他们在实验室中进行测序和数据分析只花了一年时间，但收集那么多土壤样本却持续了十年之久。
我们期待中国版的土壤细菌分布图尽早完成。
作者简介：颜磊是清华大学基础分子科学中心博士生
参考资料：
【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
发表于 2018-2-4 01:25
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