土壤菌群
十二月下旬的某一天,我正走在科罗拉多大学博尔德分校的校园里,步行前往环境科学研究合作协会(CIRES)实验室。这里的本地植物正处于冬眠状态,呈现出单一的褐色。此时的户外,几乎没有植物在生长。
但在 CIRES,情况并非如此,那里有数十亿的微生物正在茁壮成长。在实验室里,生态学与进化生物学教授 Noah Fierer 向我介绍了两个研究生,他们弓着背坐在工作台上,用移液器把玻璃瓶里的一批活细菌转移到一台机器上,这台机器将对他们的微生物 DNA 进行测序。
在附近的一个步入式冷却器中,培养皿被堆放在铁丝架上。细菌正在被培养用于研究。此外,还有将 12 包精酿啤酒在地板上冷却。“你不应该看到这个。” Fierer 打趣道。
作为一位杰出的土壤科学家,Fierer 在学术期刊上被引用的次数可能比该领域的任何其他研究人员都多。他致力于研究生活在根际上的生物体。
土壤表层是植物根系与微生物发生相互作用的地方,这里充满着病毒、细菌、真菌、原生动物和藻类。这是一个混杂的群落,统称为土壤微生物群落,这个群落是植物的命脉,可以促进种子萌发,刺激根系,加速生长,并增强植物对疾病的抵抗力。
这不仅仅是污垢
根际是一个拥有复杂生态系统的栖息地,科学家称之为“棕色食物网”。其基础是土壤菌群,它们参与了许多促进和维持植物生长的过程。例如,有些微生物就像胃一样,消化和分解有机物质,使其成为滋养植物的营养物质。另一个作用涉及菌根,丝状真菌形成巨大的细长的网,可以跨越数英里的地下。这些纤维丝就像土壤菌群的网络,它们促进植物之间的交流。
实验表明,当捕食者如蚜虫袭击植物时,植物可以通过菌根网络向周围发出警告,告诉它们威胁迫在眉睫。其他植物会利用它们的天然防御系统,通常是叶子中产生的一种化学物质,来帮助抵御入侵者。
土壤细菌和真菌同时也使土壤中的矿物质可溶于水。西雅图华盛顿大学地球与空间科学教授 David Montgomery 解释说:“如果它们是可溶的,植物就可以用它的根吸收它们。”
Montgomery 是 The Hidden Half of Nature 的作者之一,该书是关于土壤菌群的。微生物也能使植物产生抗氧化剂。Montgomery 说:“有些细菌和真菌结合在一起,把磷等物质从土壤中挖出来,运输到真菌菌丝中。”
真菌菌丝形成一个网状纤维网(由菌根组成),与植物根部协同作用。植物在光合作用期间自然地将糖分泌到土壤中,糖分有助于滋养菌丝,而菌丝通过向植物提供氮、磷和其他各种微量元素,如铜、锌、镁、钾和铁作为回应。这是一个公平的交易,因为植物和人类一样,需要这些矿物质才能生存。
然而,一个受损的土壤微菌群,可以破坏这一过程,降低这些营养素在我们的食物中的浓度,然后,我们的饮食中的这些营养素含量也随之降低。
今天的许多农田已经退化。Montgomery 告诉我,在过去的 50 年里,水果、蔬菜和谷物的矿物质含量急剧下降。一项调查报告显示,蔬菜中的锌下降了 59%,镁下降了 26%,铁下降了 83%。
发表在 Journal of the American College of Nutrition 上的一项类似分析,对 43 种农作物进行了检测,将目前的营养水平与美国农业部(美国农业部自 1892 年以来一直在收集这些数据)1950 年记录的营养水平进行了比较,发现蛋白质、钙、铁、磷、维生素 B2(又名核黄素)和维生素 C 都显著下降。
Montgomery 说:“据估计,超过三分之一的人类受到矿物质缺乏的困扰,这在发达国家和发展中国家都造成了健康问题。”矿物元素对于数百种关键的酶反应是必不可少的,含量不足会引起各种疾病,这些疾病包括心血管疾病、神经系统疾病、贫血、感染和抑郁症。
解开土壤秘密的竞赛
尽管科学家们相信,促进健康的土壤微生物可以对人类健康产生深远的积极影响,但问题是要弄清楚哪些微生物是我们维持健康所需的,以及如何帮助它们茁壮成长。微生物的多样性令人难以置信,目前人们对它们仍知之甚少。
当 Fierer 带我沿着楼梯下到 CIRES 地下室时,他解释说,从堪萨斯州的野生草原采集的土壤样本可能含有超过 2 万种不同种类的微生物。从同一个地点仅仅一厘米远的地方采集的第二个标本可能藏有完全不同的微生物,数量也有数万之多。
一英亩(约 4046 平方米)健康土壤中的微生物总重量超过 2.7 吨,相当于一辆大型 SUV。了解土壤菌群就像试图绘制我们银河系中的每一颗恒星,因为那里有数以亿计的微生物。“我们知道它们在那里,” Fierer 说,“我们只是不知道它们中的大部分在做什么,以及它们是如何相互影响的。”
在 CIRES 的地下室,我们进入了一个 800 平方英尺(约 74 平方米)的空实验室,Fierer 和研究生 Corrine Walsh 正在进行一个有利于小麦生长的土壤微生物的实验。一个类似于大型白色冰箱的东西坐落在空间的中央。这是一个用于种植植物的环境生长室,用炫目的白色发光二极管进行照明。
Fierer 推开那沉重的门,一股潮湿发霉的空气飘了出来。他拿出一个干净的箱子,里面装着 12 个内衬种子发芽纸的方形塑料盘子。每张纸上有八颗处于不同生长阶段的小麦种子。有些只有几英寸高,嫩芽和树根沿着纸张表面攀爬。有一些看起来发育不良,还有一些根本没有发芽。
领导这项实验的 Walsh 从美国各地的 220 个地点收集了土壤样本。“大约一半来自农场,” Fierer 说,“另一半来自未经管理的自然系统,主要是森林和草原。”
Walsh 将每个样品与水混合,调制成浆液,浇在每个小麦种子上。稍后,她将使用基因测序仪来分析发芽最旺盛的根和芽的种子所含的成分。“我们将观察是否有特定种类的微生物可以解释为什么一些小麦种子比其他种子长得更好。” Fierer 说。
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