智利阿塔卡马沙漠下发现1.9万年微生物生态圈 甚至还与火星有关

智利阿塔卡马沙漠下发现1.9万年微生物生态圈 甚至还与火星有关 智利北部的阿塔卡马沙漠是世界上最干旱的非极地沙漠，这里的动植物种类极少。由于通常十年才降一次雨，这片沙漠非常干燥，以至于美国国家航空航天局（NASA）将其作为火星地貌的替身。但是，在这干涸的地表下生活着什么呢？新的研究表明，它非常小，数量非常多，而且非常古老。虽然阿塔卡马沙漠的干旱意味着高等生物稀少，但众所周知，多种多样的细菌在这里的土壤中占主导地位。不过，研究人员的目标是深入研究，看看地表下一米多（3.3 英尺）的地方生活着哪些种类的微生物。阿塔卡马沙漠最干燥的地方之一永盖山谷（Yungay Valley）一个龟裂的洼地 卢卡斯-霍斯特曼/德国波茨坦联邦理工学院他们选择的地点位于云盖山谷的一个普拉亚（playa）地区，这是沙漠超干旱核心地区最干旱的地方之一。普拉亚是曾经包含地表水体的洼地或盆地；它们本质上是干涸的湖床。在其他地方，矿物石膏和无水石膏通常靠近地表，在上部 50 厘米/20 英寸的范围内，而在普雷亚地区，它们被埋在大约 2 米/6.6 英尺的深处。相反，无水石膏遇水后会转化为石膏。当他们挖掘到地下 4.2 米/13.8 英尺深处时，研究人员发现了石膏、无水石膏和海绿石（俗称岩盐）等盐类堆积物，以及阳离子（钠、钙）和阴离子（硫酸盐、硝酸盐、氯化物）。根据地下深度绘制的矿物、阳离子和阴离子丰度图 Horstmann 等人研究人员说："深度为 184 厘米（72.4 英寸）的剖面上半部分主要由淤泥沉积物组成，间或有薄沙层。在 184 厘米至 230 厘米（90.6 英寸）深度之间，沉积物过渡到较粗的质地，包括沙子和卵石。在 230 厘米以下，剖面始终包含[原文如此]卵石至鹅卵石大小的颗粒"。他们使用无脊椎动物衍生 DNA（iDNA）分析，并将其与地球化学分析（X 射线衍射和离子色谱法）进行比较，以研究地下的微生物学。基因测序揭示了不同地层中丰富多样的微生物群落。大部分序列被归类为细菌；0.5%为古细菌，古细菌是一种结构与细菌相似但在进化过程中截然不同的单细胞微生物。古细菌被认为是介于细菌和真核生物或含有 DNA 的细胞含有独特细胞核的生物之间的一个古老群体。三个细菌群（门）占主导地位，占遗传序列的 90% 以上：放线菌属（Actinobacteria）、固形菌属（Firmicutes）和变形菌属（Proteobacteria）。不同地下深度的微生物组成在深度为 2 至 5 厘米（0.8 至 2 英寸）的最上层沉积物中，放线菌占微生物总数的 95%。固着菌的比例很高，从 40 厘米/15.7 英寸深度的 47% 到 30 厘米/11.8 英寸深度的 93%。只有在 70 厘米/27.6 英寸处，才出现了较低的固着菌相对丰度（34%），在 200 厘米/78.7 英寸以下则明显下降。在 200 厘米以下的沉积物中，微生物群落仍然以放线菌为主，深度达 4.2 米。从生态学角度看，洼地沉积相对较新；沉积开始于大约 1.9 万年前。然而，冲积层沉积的年代要久远得多，4.2 米的深度可以追溯到 380 万年前。研究人员认为，他们发现的放线菌群落可能在"早期"就已经在土壤中定植，然后被埋藏在冲积层下。这可能意味着，此前未知的深层生物圈将在极度干旱的沙漠土壤中无限向下延伸。链霉菌是最大的放线菌属 疾病预防控制中心/戴维-贝尔德博士该研究最引人注目的发现之一是，微生物出现在 200 厘米以下的沉积物中，在这些沉积物中，洼地过渡到由河道或冲积平原上沉积的砾石、沙、粉砂或粘土组成的冲积层。原以为这些深度的微生物多样性和丰度会较低，但事实并非如此。在阿塔卡马沙漠，石膏已经被证明可以支持微生物群落。研究人员认为，在这里，较深的石膏沉积物通过提供水分或增加沙漠高干旱土壤的保水性，在微生物多样性方面发挥了至关重要的作用。研究人员说："尽管石膏在所有沙漠的次表层可能并不普遍，但这种次表层生态位的存在可能表明，全球沙漠的多样性迄今被低估了，在特定情况下，次表层群落可以在地球上最干旱地方的最深层持续存在。这项研究对寻找地球以外的嗜极端生物具有重要意义"。文章开头提到，美国国家航空航天局把阿塔卡马沙漠作为火星的代表。那么，火星也有石膏矿床。那么，火星上的石膏会不会也是火星上微生物生命的水源呢？该研究发表在《PNAS Nexus》杂志上。 ... PC版： 手机版：

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性 微生物模型利用广泛的基因组数据为土壤碳模拟提供动力。图片来源：Victor O. Leshyk 插图这个新模型使科学家们能够更好地了解某些土壤微生物如何有效地储存植物根系提供的碳，并为农业战略提供信息，以保护土壤中的碳，支持植物生长和减缓气候变化。"我们的研究证明了直接从土壤中收集微生物遗传信息的优势。在此之前，我们只掌握了实验室研究的少数微生物的信息，"论文第一作者、伯克利实验室博士后研究员吉安娜-马施曼（Gianna Marschmann）说。"有了基因组信息，我们就能建立更好的模型，预测各种植物类型、作物甚至特定栽培品种如何与土壤微生物合作，更好地捕集碳。同时，这种合作还能增强土壤健康"。最近发表在《自然-微生物学》杂志上的一篇新论文介绍了这项研究。论文的通讯作者是伯克利实验室的 Eoin Brodie 和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 Jennifer Pett-Ridge，后者领导着"微生物持久存在"土壤微生物组科学重点领域项目，该项目由能源部科学办公室资助，以支持这项工作。看见看不见的东西 - 微生物对土壤健康和碳的影响土壤微生物帮助植物获取土壤养分，抵抗干旱、疾病和虫害。它们对碳循环的影响在气候模型中的体现尤为重要，因为它们会影响土壤中储存的碳量或在分解过程中以二氧化碳形式释放到大气中的碳量。通过利用这些碳构建自己的身体，微生物可以将碳稳定（或储存）在土壤中，并影响碳在地下的储存量和储存时间。这些功能与农业和气候的相关性正受到前所未有的关注。然而，仅一克土壤中就含有多达100 亿个微生物和数千个不同物种，绝大多数微生物从未在实验室中被研究过。直到最近，科学家们才从实验室研究的极少数微生物中获得数据，为这些模型提供依据，其中许多微生物与需要在气候模型中体现的微生物无关。Brodie解释说："这就好比根据只生长在热带森林中的植物所提供的信息，为沙漠建立生态系统模型。"为了应对这一挑战，科学家团队直接利用基因组信息建立了一个模型，该模型能够适应任何需要研究的生态系统，从加利福尼亚的草原到北极解冻的永久冻土。该模型利用基因组深入了解土壤微生物的功能，研究小组将这种方法用于研究加利福尼亚牧场中植物与微生物组之间的相互作用。牧场在加州具有重要的经济和生态意义，占陆地面积的 40% 以上。研究重点是生活在植物根部周围的微生物（称为根圈）。这是一个重要的研究环境，因为尽管根区只占地球土壤体积的 1-2%，但据估计，根区储存了地球土壤中 30-40% 的碳，其中大部分碳是由根系在生长过程中释放出来的。为了建立这个模型，科学家们利用加州大学霍普兰研究与推广中心提供的数据，模拟了微生物在根部环境中的生长情况。不过，这种方法并不局限于特定的生态系统。由于某些遗传信息与特定的性状相对应，就像人类一样，基因组（模型所基于的）与微生物性状之间的关系可以转移到世界各地的微生物和生态系统中。研究小组开发了一种新方法来预测微生物的重要性状，这些性状会影响微生物利用植物根系提供的碳和养分的速度。研究人员利用该模型证明，随着植物的生长和碳的释放，由于根系化学和微生物性状之间的相互作用，会出现不同的微生物生长策略。特别是，他们发现，生长速度较慢的微生物在植物生长后期会受到碳释放类型的青睐，而且它们在利用碳方面的效率出奇地高这使它们能够在土壤中储存更多的这种关键元素。这一新的观测结果为改进模型中根系与微生物之间的相互作用提供了依据，并提高了预测微生物如何影响气候模型中全球碳循环变化的能力。"这些新发现对农业和土壤健康具有重要意义。通过我们正在建立的模型，我们越来越有可能利用对碳如何在土壤中循环的新认识。这反过来又为我们提供了可能性，使我们能够提出保护土壤中宝贵的碳的策略，从而在可行的范围内支持生物多样性和植物生长，以衡量其影响，"马施曼说。这项研究强调了利用基于遗传信息的建模方法来预测微生物性状的威力，有助于揭示土壤微生物组及其对环境的影响。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

寻找抗生素耐药性的起源：科学家发现18种前所未见的肠道微生物

寻找抗生素耐药性的起源：科学家发现18种前所未见的肠道微生物 预计到 2050 年，抗生素耐药感染将取代癌症成为导致死亡的主要原因，因此了解和限制抗生素耐药细菌的传播成为全世界的当务之急。在最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇论文中，由马萨诸塞州眼耳科医院首席科学官迈克尔-吉尔摩（Michael S. Gilmore）博士共同领导的一个研究小组描述了他们发现的 18种从未见过的肠球菌类型细菌，这些细菌含有数百个新基因这些发现可能会为抗生素耐药性提供新的线索，因为科学家们正在寻找遏制这些感染的方法。肠球菌是导致耐多药感染的主要原因，尤其是在手术后和住院患者中。这种感染可导致死亡，每年增加的医疗成本超过 300 亿美元。抗生素的重要性"在过去的 75 年中，抗生素挽救了数亿人的生命，并为各类手术的成功做出了巨大贡献，"身兼哈佛医学院传染病研究所所长的吉尔摩说。"然而，在过去的 30 年里，许多最棘手的细菌对抗生素的耐药性越来越强，现在已经达到了危机的程度。我们的发现可能会加深人们对耐药基因如何传播到医院细菌并威胁人类健康的理解"。青霉素等抗生素是在 20 世纪 20 年代被发现的，它们是由土壤中的微生物自然产生的化合物。吉尔摩指出，产生抗生素的微生物在森林地面的腐烂树叶和植物物质中繁衍生息，并赋予森林土壤以气味。昆虫在抗生素耐药性中的作用吉尔摩和布罗德细菌基因组学组主任阿什莉-厄尔（Ashlee Earl）博士组建了一支国际科学家团队，其中包括精英冒险家，在全球偏远角落寻找可能含有肠球菌的粪便、土壤和其他样本。他们收集的标本种类繁多，包括在亚南极水域迁徙的企鹅、乌干达的杜鹃和大象；从巴西到美国的昆虫、双壳类动物、海龟和野生火鸡；蒙古的红隼和秃鹫；澳大利亚的沙袋鼠、天鹅和袋熊；以及欧洲的动物园动物和野生鸟类。研究小组之前的收集工作发现了新类别的细菌毒素，并表明肠球菌大约产生于 4.25 亿年前，当时第一批动物千足虫和蠕虫的祖先出现在陆地上。在四条腿的动物上岸之前，它们可能统治了地球大约 5000 万年。探险科学家史蒂维-安娜-普卢默（Stevie Anna Plummer）与 2016 年尼泊尔探险期间采集的粪便和水样，为全球微生物研究收集样本。图片来源：探险科学家（摄影：保罗-阿莫斯）研究人员最近的采集工作将肠球菌菌株的属种多样性扩大了 25% 以上，同时还发现了更多线索，揭示出昆虫和其他无脊椎动物可能是迄今为止肠球菌细菌（包括天然抗生素耐药菌种）的最大天然来源。厄尔说："直到最近，我们对肠球菌遗传学的大部分了解都来自那些让我们生病的肠球菌，这是一个问题就像试图了解黑暗却从未见过光明一样。在公民科学家的帮助下，将我们的视野扩展到医院以外的地方，为我们提供了所需的对比，以确定它们是如何让医院里的人生病的，同时也为公众提供了共同拥有解决方案的机会"。吉尔摩认为，昆虫一直在吃腐烂的植物材料，在此过程中自然会给自己摄入一定剂量的抗生素。他假设，数亿年来，这些昆虫肠道中的细菌（如肠球菌）一直接触这些抗生素，并产生了抗药性。20 世纪 40 年代和 50 年代，当人类首次开始服用抗生素时，抗药性已经存在于环境中，并进入了导致人类感染的细菌中。COVID-19大流行揭示了自然界蕴藏着许多人类面临的传染风险。这项研究表明，自然界中的昆虫及其近亲是一个巨大的、未定性的微生物基因库，这些未被发现的微生物基因与那些导致一些抗生素耐药性最强的感染的微生物基因密切相关。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究发现受感染的微生物会携带产生甲烷的新基因

研究发现受感染的微生物会携带产生甲烷的新基因 研究发现，微生物一旦受到感染，就会携带产生甲烷的新基因。最近的一项研究揭示，感染微生物的病毒在甲烷（一种强效温室气体）的环境循环中发挥着关键作用，从而加剧了气候变化。通过分析从各种湖泊到牛胃内部等15种不同栖息地采集的近1000组元基因组DNA数据，研究人员发现，微生物病毒携带有控制甲烷过程的特殊遗传元素，即辅助代谢基因（AMGs）。根据生物栖息地的不同，这些基因的数量也会不同，这表明病毒对环境的潜在影响也因其栖息地而异。这项研究的第一作者、俄亥俄州立大学伯德极地与气候研究中心副研究员钟志平说，这一发现为更好地理解甲烷如何在不同生态系统中相互作用和移动提供了重要依据。"了解微生物如何推动甲烷过程非常重要，"钟说，他也是一名微生物学家，研究微生物如何在不同环境中进化。"微生物对甲烷代谢过程的贡献已经研究了几十年，但对病毒领域的研究在很大程度上仍然不足，我们希望了解更多"。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。病毒在温室气体排放中的作用病毒帮助促进了地球上所有的生态、生物地球化学和进化过程，但科学家们直到最近才开始探索它们与气候变化的关系。例如，甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体排放源，但主要是由被称为古细菌的单细胞生物产生的。这项研究的共同作者、俄亥俄州立大学微生物组科学中心微生物学教授马修-沙利文（Matthew Sullivan）说："病毒是地球上最丰富的生物实体。在这里，我们在一长串病毒编码的代谢基因中增加了甲烷循环基因，从而扩大了我们对其影响的了解。我们的团队试图回答病毒在感染过程中实际操纵了多少'微生物代谢'"。尽管微生物在加速大气变暖方面发挥的重要作用现已得到广泛认可，但人们对感染这些微生物的病毒所编码的甲烷代谢相关基因如何影响它们的甲烷产生却知之甚少，钟南山说。为了解开这个谜团，钟志平和他的同事们花了近十年的时间从独特的微生物库中收集和分析微生物和病毒 DNA 样本。研究小组选择的最重要的研究地点之一是克罗地亚自然保护区内的弗拉纳湖。在富含甲烷的湖泊沉积物中，研究人员发现了大量影响甲烷产生和氧化的微生物基因。此外，他们还发现了多种病毒群落，并发现了 13 种有助于调节宿主新陈代谢的 AMG。尽管如此，没有任何证据表明这些病毒本身直接编码甲烷代谢基因，这表明病毒对甲烷循环的潜在影响因其栖息地而异，钟说。牲畜和环境影响总之，研究显示，甲烷代谢AMG更有可能在宿主相关环境（如牛胃内部）中发现，而在环境栖息地（如湖泊沉积物）中发现的这些基因则较少。由于奶牛和其他牲畜也造成了全球约 40% 的甲烷排放，他们的研究表明，病毒、生物和整个环境之间的复杂关系可能比科学家们曾经想象的更加错综复杂。钟说："这些发现表明，病毒对全球的影响被低估了，值得引起更多关注。"虽然目前还不清楚人类活动是否影响了这些病毒的进化，但研究小组希望从这项工作中获得的新见解能让人们进一步认识到传染源对地球上所有生命的影响力。尽管如此，要继续深入了解这些病毒的内在机制，还需要进一步的实验来进一步了解它们对地球甲烷循环的贡献，钟南山说，尤其是当科学家们在研究如何减少微生物驱动的甲烷排放时。他说："这项工作是掌握气候变化的病毒影响的第一步。我们还有很多东西要学。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

哈佛和麻省理工学院科学家发现肠道中能破坏胆固醇的微生物

哈佛和麻省理工学院科学家发现肠道中能破坏胆固醇的微生物 研究发现，在胆固醇水平降低的人群中，有多种细菌能代谢胆固醇。肠道微生物群的变化与一系列疾病有关，如 2 型糖尿病、肥胖症和炎症性肠病。现在，麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所以及麻省总医院的一个研究小组发现，肠道中的微生物也可能影响心血管疾病。在发表于《细胞》（Cell）杂志的一项研究中，研究小组确定了在肠道中消耗胆固醇的特定细菌种类，它们可能有助于降低人体内的胆固醇和心脏病风险。拉姆尼克-泽维尔实验室、布罗德代谢组学平台的成员和合作者分析了弗拉明汉心脏研究（Framingham Heart Study）1400 多名参与者的代谢物和微生物基因组。研究小组发现，一种名为"颤螺旋菌"（oscillibacter）的细菌会吸收并代谢周围环境中的胆固醇，肠道中这种微生物含量较高的人胆固醇水平较低。他们还确定了这种细菌可能用来分解胆固醇的机制。这些结果表明，以特定方式操纵微生物组的干预措施有朝一日可能有助于降低人体内的胆固醇。这些发现还为更有针对性地研究微生物组的变化如何影响健康和疾病奠定了基础。泽维尔是布罗德研究所的核心成员、免疫学项目主任和传染病与微生物组项目联合主任。他还是哈佛医学院和麻省总医院的教授。泽维尔实验室的博士后研究员李晨皓和研究科学家马丁-斯特拉扎尔是这项研究的共同第一作者。在过去的十年中，其他研究人员发现了肠道微生物组的组成与心血管疾病因素之间的联系，如人的甘油三酯和餐后血糖水平。但科学家们还无法针对这些联系采取治疗措施，部分原因是他们对肠道内的代谢途径缺乏全面的了解。在这项新研究中，布罗德团队更全面、更详细地了解了肠道微生物对新陈代谢的影响。他们将枪式元基因组测序技术与代谢组学技术相结合，枪式元基因组测序技术能分析样本中所有微生物的DNA，代谢组学技术能测量数百种已知和数千种未知代谢物的水平。他们利用这些工具研究了弗雷明汉心脏研究的粪便样本。斯特拉扎尔说："项目成果强调了高质量、经过整理的患者数据的重要性。这使我们能够注意到那些非常微妙且难以测量的效果，并直接对其进行跟踪。"这种方法发现了微生物与代谢特征之间的 16000 多种关联，其中有一种关联特别强烈：与缺乏相关属种细菌的人相比，体内有几种颤螺旋菌属细菌的人胆固醇水平较低。研究人员发现，该属细菌在肠道中的数量惊人，平均每 100 个细菌中就有 1 个。研究人员随后想弄清微生物分解胆固醇的生化途径。为此，他们首先需要在实验室中培养这种生物。幸运的是，实验室多年来一直在收集粪便样本中的细菌，为此他们建立了一个独特的菌种库，其中也包括颤螺旋菌。在成功培育出这种细菌后，研究小组利用质谱法确定了细菌中胆固醇代谢最可能产生的副产品。这使他们能够确定细菌降低胆固醇水平的途径。他们发现，细菌将胆固醇转化为中间产物，然后再由其他细菌分解并排出体外。接下来，研究小组利用机器学习模型确定了负责这种生化转换的候选酶，然后在实验室中的某些颤螺旋菌中检测到了这些酶和胆固醇分解产物。研究小组发现了另一种肠道细菌 - 产粪甾醇真杆菌（Eubacterium coprostanoligenes），它也有助于降低胆固醇水平。这种细菌携带一种基因，科学家们此前已经 先前已经证明参与胆固醇代谢。在新的研究中，研究小组发现，Eubacterium 可能与Oscillibacter对胆固醇水平有协同作用，这表明，研究细菌物种组合的新实验可能有助于揭示不同微生物群落如何相互作用影响人类健康。人类肠道微生物组中的绝大多数基因仍未定性，但研究小组相信，他们在确定胆固醇代谢酶方面取得的成功，为发现受肠道微生物影响的其他类似代谢途径铺平了道路，这些代谢途径可以作为治疗靶点。"有许多临床研究试图进行粪便微生物组转移研究，但对微生物之间以及微生物与肠道之间如何相互作用却不甚了解，"李说。"我们希望先退一步，专注于一种特定的微生物或基因，我们就能系统地了解肠道生态学，并提出更好的治疗策略，比如针对一种或几种微生物进行治疗。""由于肠道微生物组中存在大量功能未知的基因，我们预测代谢功能的能力还存在差距，"他补充说。"我们的工作强调了肠道微生物可能改变其他固醇代谢途径的可能性。我们可能会有很多新发现，这些发现将使我们更接近于从机理上理解微生物是如何与宿主相互作用的。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

冰川萎缩引发“绿色转型”：微生物正在蓬勃发展

冰川萎缩引发“绿色转型”：微生物正在蓬勃发展 来自洛桑联邦理工学院（EPFL）和查尔斯大学（Charles University）的科学家们根据"消失的冰川"（Vanishing Glaciers）项目的全球样本发现，随着冰川的缩小，山区溪流中的微生物生命也在蓬勃发展。这种"绿色过渡"导致初级生产增加，改变了当地的碳和营养循环。图片来源：EPFL/Vincent de Stark冰川注入的溪流在夏季是浑浊汹涌的洪流。大量的冰川融水搅动着岩石和沉积物，几乎没有光线可以照射到河床，而其他季节的低温和积雪则几乎没有机会让丰富的微生物群生长。但是，随着冰川在全球变暖的影响下逐渐缩小，冰川的水量也在不断减少。这意味着溪流变得更加温暖、平静和清澈，使藻类和其他微生物有机会大量繁殖，并为当地的碳和营养循环做出更大贡献。洛桑联邦理工学院河流生态系统实验室（RIVER）的全职教授汤姆-巴廷（Tom Battin）说："我们正在目睹这些生态系统中微生物组发生深刻变化的过程由于初级生产的增加，这简直就是一场'绿色转型'。"在论文中，科学家们研究了溪水中的氮和磷等营养物质，以及生活在河床沉积物中的微生物为利用这些营养物质而产生的酶。然后，他们观察了由大小不一的冰川提供水源的巨大梯度溪流中这两种营养物质的变化。"冰川哺育的溪流生态系统通常拥有有限的碳和营养物质，尤其是磷，"前 RIVER 博士后、本文第一作者泰勒-科勒（Tyler Kohler）解释说。"随着冰川的萎缩，藻类和其他微生物对磷的需求增加，高山溪流中磷的限制可能会越来越多"。因此，磷作为生命的重要组成部分，在下游生态系统（包括较大的河流和湖泊）中将变得更加稀缺，对其食物网的影响尚不可知。2023 年 8 月，"消失的冰川"项目的科学家在《皇家学会开放科学》上发表了一篇论文，支持上述发现。在这项研究中，作者分析了乌干达鲁文佐里山脉一条由冰川提供水源的小溪的微生物群。在这里，营养物质和酶的组成也大不相同，藻类非常丰富。巴廷说："鲁文佐里冰川发生的变化让我们看到了瑞士冰川注入的溪流在30年或50年后的样子。这种变化的一个结果是，随着冰川注入的溪流接纳更多的微生物生命，它们将在二氧化碳通量等生物地球化学循环中发挥更大的作用。"RIVER 团队计划在此基础上继续开展研究。他们正在对冰川溪流中的微生物生物多样性进行普查，并利用各种基因组信息，探索多样化的微生物是如何在地球上最极端的淡水生态系统中生存的。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：