生长是微生物群落的基本属性，支撑着无数生态系统的功能，例如，微生物生长的增加是以微生物资源获取为代价的，从而影响土壤碳源的分解速率，微生物会将同化的碳源分配到生长和其他代谢过程中，这也是土壤有机质形成的关键驱动力。
同样，微生物群落、土壤碳源和全球气候之间的关键反馈也是生态系统平衡的重要部分。尽管越来越多的研究详细介绍了土壤细菌群落的分类和功能组成，但这些群落的生活史特征在很大程度上仍然是未知的。
因此，为了更好的理解和预测生态系统碳循环和储存的变化，需要更好的了解微生物生长潜力的模式和驱动因。
近日，来自美国爱达荷大学生物科学系的Michael S.Strickland团队，在《Nature Communications》杂志发表了题为“Global patterns in the growth potential of soil bacterial communities”的文章。
该研究通过对一个全球土壤宏基因组数据集进行分析，以探究细菌的生长潜力的环境驱动因素，发现细菌生产力在全球范围内总体上反映了生态系统的生产力，且土壤细菌的生长潜力与碳水化合物代谢相关基因的相对丰度呈负相关。该研究证明了细菌生长是驱动全球生态系统碳循环的关键因素。
首先，研究使用密码子使用统计数据评估了从六大洲的11个陆地生物群落中采样的176个土壤宏基因组中的细菌生长潜力。
估计的最大生长速率在生物群落中表现出显著的变化，在热带和温带/北纬地区观测到较高的最大生长速率，而在干旱的亚热带地区观测到较低的最大生长速率（图1A）。从纬度的角度分析，森林生物群落的最大生长速率普遍较高（图1B）。
图1土壤细菌群落生长潜力的全球模式
也评估了群落平均16S rRNA基因拷贝数，结果发现平均16S rRNA基因拷贝数与最大生长速率显著正相关，最大生长速率与平均基因组大小呈弱正相关（图1C、1D）。由此，表明了土壤细菌在胁迫耐受性和生长潜力之间存在着根本性的权衡。
图2随机森林回归模型显示细菌群落平均最大生长速率的最强环境预测因子
生长速率与土壤湿度、土壤有机碳含量和碳氮含量比呈正向相关，与土壤pH呈负相关。为了确定细菌生长潜力的最强统计预测因素，作者使用随机森林回归模型进行分析，随机森林回归模型证明了土壤pH值、土壤碳氮比和赤道距离是最大生长速率的最强预测因素（图2）。在该研究中，发现土壤细菌群落的生产力反映了其所处的生态系统的生产力，这也表明了一个生态系统的生产力通过能量和养分的链式传递，带动了该生态系统内所有生物的生产力。
图3生长潜力与功能基因的关系
其次，假设细菌生长潜力与细菌群落的碳循环功能相关。研究重点关注了编码参与碳水化合物代谢和运输的基因以及能量产生和转换的基因的相关丰度，研究发现最大生长速率与能量产生和转换的基因的相对丰度呈正相关，与碳水化合物代谢和转运的基因的相对丰度呈负相关（图3）。
同时，研究也观察到细菌生长潜力与能量产生和转换的基因之间的正相关关系表明，高生长潜力与同化的碳资源向能量的转换有关，而不是生物量的增加。细菌的快速生长反过来可能会通过增加微生物残留物的产生来促进土壤有机质的形成，或随着生长速度的加快，碳利用效率的降低可能会降低土壤有机质的形成速度，这也提出了未来的研究中应尝试探究潜在的碳循环途径与细菌生长潜力的关系。
图4气候、土壤、细菌群落生长潜力和碳循环功能基因之间的联系
最后，研究通过结构方程模型（SEM）进行了总结，说明了气候、土壤性质、细菌生长潜力和碳循环功能之间的联系（图4），即细菌的生长潜力主要由土壤性质驱动，如水分和碳物质的有效性，又反过来受生产力（如生态系统净初级生产力、与赤道的距离）的控制。
该研究结果表明生物群落之间的细菌生长潜力的变化将驱动来自不同环境的土壤中分解和储存碳的不同速率，细菌群落的功能和分类学特征中的这些宏观生态模式与这些群落的生长潜力有根本的联系。该研究建立了一个微生物生理框架，对未来更好地了解全球范围内的土壤碳物质的分解和储存起到了至关重要的作用。