玉米秸秆沙沙作响，拖拉机滚动，他们的轮子磨成堪萨斯州的土壤。虽然看起来农民和机器在现代农场上进行大部分工作，但大部分繁重工作都在地表之下。美国中西部的大草原是这个星球上最复杂的生物系统之一，肉眼无法看到。由能源部科学办公室支持的研究人员正在绘制这个微生物群落的基因图，这项努力可以解开遗传学，生态学和农业的新方法。

曾经被称为美国的粮仓，大草原的生产性土壤比国​​内任何其他地方都含有更多的碳。储存碳对于限制气候变化和维持农业生产力至关重要。然而，由于耕作等农业实践，土壤已经储存了20%至60%的碳。

“[大草原]是世界上最伟大的资源之一，”密歇根州立大学的微生物学家James Tiedje说。

为了更好地了解支持这种生态系统生育能力的微生物，与科学办公室用户设施联合基因组研究所(JGI)合作的研究人员正在应对Great Prairie Metagenome Grand Challenge。只有半茶匙的土壤容纳了数十亿的微生物细胞，这些微生物细胞可以进行碳和氮循环等基本过程。但科学家并不完全了解它们如何发挥作用或对环境变化做出反应。

“在过去，微生物只被认为是次要的，因为它们很小而且看不见，”Tiedje说。“但他们的生化能力是巨大的。而且它们基本上对我们免费工作。”

在地下并进入实验室

由于大多数这些微生物很难在实验室培养，研究人员直接找到了来源 - 爱荷华州，威斯康星州和堪萨斯州的田地和草原。为了研究养殖土地和原生草原之间微生物多样性和丰度的差异，他们比较了8个地点：3个从未种植的地方，3个种植玉米超过50年的地方，1个地点有柳枝稷(原生植物)可用于制造生物燃料的生物燃料，以及一个在长期种植后恢复到草原的地方。

科学家的任务始于夏季炎热，当时植物生长达到顶峰。在清除了草，野花和玉米秸秆之后，研究人员将一个土壤修整器插入地面五英寸。对于所有这些努力，他们每个位置只提取了1平方厘米的土壤及其相关的微生物 - 略小于糖块的大小。为了保存珍贵的微生物货物，他们将它在冰上运送到实验室。

这就是真正的挑战开始的地方。宏基因组学研究汇集了社区内所有单个微生物的基因组，统称为微生物组。为了对单个生物体的基因组进行测序，科学家必须在其DNA内识别所有核苷酸的顺序 - 作为遗传构建模块的四个碱基对。对于人类基因组计划，科学家们分离并研究了具有约30亿个核苷酸的人类DNA。相比之下，一克大草原土壤 - 大约一小撮盐 - 含有超过一万亿个DNA(比人类基因组多300倍)，来自超过100,000种不同的物种。

承担研究风险

事实上，Great Prairie项目产生了如此复杂的数据，当它在2009年开始时，JGI为它提供了比单个项目更多的测序资源。

“当时大胆，”太平洋西北国家实验室生物科学部门主任珍妮特扬森说。在JGI提供资源的同时，来自多个DOE国家实验室和大学的研究人员正在合作开展该项目。

在挑战之前，科学家们认为将单个微生物的基因组拼凑起来可能是不可能的。但这些投资产生了开辟新研究领域的工具和平台。

科学家们开始采用一种称为鸟枪测序的通用过程。这个过程将长片DNA切割成相同大小的片段，分析构成它们的碱基对的顺序，然后将这些片段重新组合在一起。这就像打碎彩色玻璃窗，在显微镜下观察碎片，然后重新组装它们。然而，在基因组的情况下，研究人员不知道原始的“图片”是什么。虽然这种技术不可避免地会留下空白，但研究人员必须分析这种类型的基因组信息。

通常，功能强大的软件会搜索数据库，以查看所研究的微生物基因是否与研究人员之前测序的相似。但科学家可以将不到一半的大草原微生物蛋白与现有信息相匹配。

所以他们从零开始。在对数据进行过滤以使其更简单但仍然具有代表性之后，他们通过将样本中的不同部分彼此进行比较来拼凑基因组的序列。

“如果你能在堪萨斯州的原始草原上实现基因组分组，你可以在任何地方进行，”Jansson说。从分析的角度来看，她说，“就高度多样性和复杂性而言，这是最糟糕的情况。”

生物学语言

以前，研究草原微生物组很像用外语看电影 - 你可以看到人们在做事，但不知道为什么或如何做。对这些微生物基因进行测序可以提供字典。科学家仍然没有完整的剧本，但这是迈向更广泛理解的第一步。

来自全国各大学的科学家们已经在利用这些数据来研究土地管理实践如何影响微生物群落。他们发现原生草原的微生物生物量是养殖区域的两倍，这是其质量和健康的关键指标。

此外，他们发现种植似乎不仅减少了数量，而且减少了土壤类型和地理的大部分自然多样性。爱荷华州原住民草原上的微生物组与威斯康星州原生草原的微生物组有很大不同。相比之下，无论它们位于何处，耕地都有类似的微生物。

但科学家们也发现了一些令人惊讶的事情 - 耕种区域的微生物种类总数平均高于本土种类。也许肥料的使用能提供更多的氮并模拟植物生长，为许多不同的微生物提供更多的食物。在原生草原上，微生物需要竞争关键营养素，包括氮和磷。它们还可以从死亡和垂死的植物中获得更少的碳。不需要与营养素竞争太多就可能导致养殖区域的微生物多样性。

“我们这个星球上的生命依赖于我们所知甚少的微生物，”Jansson说。

为了使未来的研究能够进一步探索基因，蛋白质和微生物功能之间的联系，Great Prairie数据可在JGI的基因组门户中公开获得。Great Prairie Metagenome Grand Challenge只是JGI支持的数千个微生物基因组学复杂项目之一。