土壤微生物如何在恶劣的沙漠环境中生存

长期干旱之后突然暴雨——沙漠土壤细菌如何在如此恶劣的条件下生存?这个长期争论的问题现已由维也纳大学微生物学和环境系统科学中心 (CeMESS) 的微生物学家 Dagmar Woebken 领导的 ERC 项目给出了答案。研究表明，沙漠土壤细菌高度适应在每次降雨事件中经历的快速环境变化中生存。这些发现最近发表在著名的《自然通讯》杂志上。

旱地占全球土地面积的 46% 以上，并且还在不断扩大，这不仅是由于气候变化，也是由于不可持续的土地管理做法。虽然沙漠中很少见到植物，但看不见的生命却在地下繁衍生息。位于所谓的生物结皮(沙漠土壤顶部几毫米到厘米)中的微生物使土壤富含碳和氮，还有助于防止水土流失和保持水分。但这些微生物生活在充满挑战的环境中，面临长期干旱和少雨的情况。到目前为止，尚不清楚它们如何在这种条件下维持重要的生态系统功能。达格玛·沃布肯 (Dagmar Woebken) 的团队利用最先进的微生物生态学方法，深入了解了这些土壤中的微生物生命。

沙漠土壤细菌在休​​眠状态下能忍受长时间的干旱，但会因降雨事件而重新激活，而降雨事件是短暂且非常罕见的。研究人员在以色列内盖夫沙漠的生物结皮中发现了一种“全面”的重新激活策略。细菌充分利用降雨事件——在这个狭窄的活动窗口内，几乎所有微生物土壤多样性(以及单个细胞)都变得活跃。 “当我们在实验室模拟降雨事件时，我们观察到在最初的 15 到 30 分钟内，几乎所有分类群都从休眠模式转变为活跃模式，”该研究的共同第一作者 Dimitri Meier 解释道。这是沙漠土壤细菌的一个显着特征，因为在其他类型的土壤中，许多细菌群需要更长的时间才能重新激活。”当重新激活时，细菌会迅速开始产生能量并修复其基因组。

在这项研究中，研究人员用稳定同位素标记的水(含有重氢的水)模拟了降雨事件。他们使用 NanoSIMS 检查单个细胞，看看哪些细胞结合了重氢原子。 “通过这种方法，我们可以揭示在降雨事件中重新激活的生物结皮细胞的比例。我们还可以推断它们是否可以在干旱沙漠中通常只持续 1 到 2 天的短时降雨事件中生长，”Stefanie Imminger 博士解释道该研究的候选人和共同第一作者。 “我们发现几乎所有的生物结皮细胞都会重新激活，但在这些短暂的降雨事件中，只有一小部分细胞能够加倍。”因此，大部分生物结皮细胞可以利用降雨事件进行再生并为下一次干旱做好准备，但不会发生细胞分裂。

“这些数据帮助我们了解生物结皮细菌如何充分利用它们在沙漠中经历的短暂活动窗口。它们非常适合承受土壤含水量的短期变化，这对细胞来说是一个非常紧张的情况。这使它们能够生存降雨期间水分含量突然增加以及随后的干燥，多样化的微生物群落能够立即重新激活，这对于必须在几小时到几天内恢复休眠状态的情况非常有利。”该研究的首席研究员达格玛·沃布肯 (Dagmar Woebken) 说道。

这项研究的结果不仅适用于沙漠地区，也适用于其他地区。由于气候变化，干旱的频率和强度不断增加，对于温带地区的土壤微生物来说，在水限制下生存的能力将变得越来越重要。从沙漠土壤研究中获得的见解可以帮助了解哪些特征使土壤微生物成功地度过了这些挑战。

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