虽然它看起来是无生命的，但我们脚下的土壤非常有生命。土壤中充满了无数的微生物，它们能有效地分解落叶和植物等有机物，并发挥许多其他功能，维持我们地下储存的碳和养分的自然平衡。
“土壤主要是微生物，有活的也有死的，”詹妮弗·巴特纳格说，土壤微生物学家和波士顿大学艺术学院；生物科学助理教授。她说，在离地面很近的一小块土壤中，通常会看到几百种不同类型的真菌和细菌，这使它成为现存的最多样化的生态系统之一。
因为对土壤生物的了解仍然很多，到目前为止，科学家们还没有试图预测某些物种或土壤微生物群在世界各地生活的地方。但是，对这些微生物的了解是更好地了解土壤微生物群落的关键，因为土壤微生物群落是由生活在一起的不同微生物组成的。
一个包括Bhatnagar在内的BU生物学家团队接受了这一挑战，他们的研究首次表明，因此，准确预测世界各地不同种类土壤微生物的丰度是可能的。研究小组最近在《自然生态学》杂志上发表了他们的研究成果
“如果我们知道生物在地球上的位置，知道它们是如何因不同的环境力而在空间和时间上发生变化的，以及不同物种正在做些什么，那么我们就可以更好地预测这些群落在碳和营养循环方面的功能将如何变化，”Bhatnagar说。这类知识将对农业、气候变化和公共卫生产生巨大影响。
“土壤的健康与土壤微生物息息相关，”该研究的资深作者、英国大学艺术学院（BU College of Arts&；地球与环境科学教授。Dietze、Bhatnagar和他们实验室的研究人员共同致力于这个项目，其中包括分析国家生态观测网（NEON）研究站点收集的数百个土壤样本。Bhatnagar和她的实验室成员为团队带来了他们的土壤专业知识，而Dietze和他的实验室则提供了他们独特的能力，可以开发精确的生态预测和短期环境预测。
团队了解到，微生物的可预测性随着空间面积的增加而增加，所以他们的模型预测的土地越大，关于生活在那里的微生物类型的预测越有可能是准确的。
迪茨说，随着研究人员在系统发育尺度上看更高的生物类群，准确预测在给定土壤样本中可能会发现哪些微生物的能力也会提高，一种根据进化关系对生物进行分类的系统。在最小的范围内，“物种”代表了最高级的分类；另一方面，一个“门”组成了最大和最多样化的有机体群。他们惊奇地发现，他们能够更好地预测整个门的存在，而不是单个物种的存在。
在收到来自NEON的土壤样本的基因组数据后，研究小组的预测模型考虑了特定于土壤来源地的环境因素——那里生活着什么植物、土壤酸度（pH）、温度、气候和许多其他因素。他们发现他们的模型最能根据微生物与当地植物物种的共生关系来预测微生物的存在。例如，菌根真菌是一种非常常见的土壤微生物，约90%的植物家族都与之相关，包括新英格兰的松树和橡树。
相反，研究小组发现，根据它们与土壤酸度的关系来预测大型生物群更为困难。Bhatnagar说：“尽管他们知道土壤酸度水平，以及什么样的细菌通常喜欢生活在这种环境中，但他们的模型无法准确预测土壤样本中实际存在的细菌数量。”这意味着除了与[酸度]的关系，除了与我们通常在生态系统中测量的任何其他环境因素的关系之外，还有其他一些东西，”她说。
现在，迪特兹和巴特纳格尔的团队正在扩展他们的预测，而不仅仅是根据微生物的位置来预测微生物，“建立一个预测美国各地土壤微生物群落的框架将提高我们对季节和年际变化的理解，”在Bhatnagar实验室工作的博士生、论文作者Zoey Werbin说这可以帮助我们预测气候变化如何影响微生物过程，如分解或氮循环。”
通过她的论文项目，Werbin希望回答一些基本问题，即土壤微生物组群如何以及为什么随时间和空间而变化。
“我们了解的越多，我们越是意识到土壤微生物对农业、公共卫生和气候变化的重要性。沃宾说：“研究微生物如何产生如此大规模的影响确实令人兴奋。”我们知道某些因素，如温度和湿度，会影响微生物群落。但我们不知道这些因素与自然变异性或微生物之间的相互作用相比有多重要。我的博士项目将有助于确定土壤微生物群落的驱动力，以及最大的不确定性来源。”
Journal Reference:
Colin Averill, Zoey R. Werbin, Kathryn F. Atherton, Jennifer M. Bhatnagar, Michael C. Dietze. Soil microbiome predictability increases with spatial and taxonomic scale. Nature Ecology & Evolution, 2021; 5 (6): 747 DOI: 10.1038/s41559-021-01445-9