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在通过减少全球温室气体(GHG)排放来遏制气候变化的努力中，解冻永久冻土带来了严峻的挑战。这些嵌入北极土壤中的冷冻有机物储存库是地球上主要的(约15亿吨)碳储存库之一。关于永久冻土的持久关注之一是，随着全球气温上升，正如未来几个世纪预测的那样，土壤可能完全解冻。该事件有可能以强效温室气体二氧化碳(CO 2)和甲烷的形式释放这种碳，从而导致通过单一地面过程转移到大气中的碳的最大贡献。
为了帮助理解控制的有机物质转化为二氧化碳的过程2和甲烷，从能源联合基因组研究所(DOE JGI)，由美国劳伦斯伯克利国家实验室管理的美国能源部科学办公室的用户设备的美国能源部的科学家报告了应用多种分子技术统称为“组学”，以更好地表征微生物活动在2015年3月4日在线发表在“ 自然 ”杂志上的论文中。该团队还包括来自伯克利实验室地球科学部门，太平洋西北国家实验室(PNNL)和美国地质调查局的成员。球队试图确定微生物群落的组合物以及它们在多年冻土降解有机碳和随后的生产CO的角色2和甲烷。
来自PNNL的微生物生态学家Janet Jansson带领团队调查了三种类型的阿拉斯加土壤，从完全解冻到完全冷冻。宏基因组学(MG)或环境基因组学使研究人员能够识别系统发育 - 即社区微生物成员的生物谱系历史，以及功能基因组成。Metatranscriptomics(MT)允许团队确定表达哪些基因。最后，元蛋白质组学(MP)提供了关于实际产生哪种蛋白质的见解。
比较各种土壤中的微生物活动
为永久冻土研究收集的数据令人印象深刻。“这些分析共同产生了大量数据，包括84.2 Gb [十亿个核苷酸碱基]的MG序列，20.4 Gb的MT序列和大约7,000个蛋白质，这是迄今为止任何土壤类型获得的最高产量之一，”球队报道。
在这项研究中，研究人员依靠在阿拉斯加收集的土壤核心，专注于他们的细菌和古细菌。随着DOE JGI调动其全面的测序方法和数据分析工具，研究小组研究了这些微生物在完整的永久冻土中，在冻结和冻融的冻土上方的活动层，以及在其他土壤中，包括代表终端的坍塌的热岩溶沼泽解冻状态。
来自三种土壤的MG，MT和MP数据的比较提供了对组学数据和元素循环途径之间的联系的深入了解。在热岩溶沼泽中，他们发现甲烷产量最高，并确定了该途径中涉及的几种微生物。另外，在MG数据集和MP数据集中的相应蛋白质中检测到参与产甲烷作用的几个基因。确定了三个产甲烷菌基因组草图，并且与测序甲烷生产者的比较表明这些是先前未描述的微生物。
研究小组发现活性层的微生物种类多于其他土壤，最活跃的基因参与氮，铁和甲烷循环。在永久冻土样品中，尽管表达的基因较少且检测到的蛋白质较少，但他们发现许多蛋白质是允许微生物耐受寒冷环境的蛋白质，比活性层和沼泽样品中发现的蛋白质更多。他们还发现永久冻土中的蛋白质表明一些微生物可以四处移动，蛋白质也可以作为甲烷氧化等途径。后一发现表明RNA和蛋白质已经在冷冻环境中保存，或者具有这些功能的微生物仅在零度以下的条件下处于休眠状态。或者，它们可能代表永久冻土中的物理活跃微生物，
在阿拉斯加建立微生物群落模型
这项工作建立在DOE JGI和Jansson之前合作的基础上。在2011年11月6 日出现在“ 自然”杂志上的该研究中，通过环境基因组学研究确定了一种新型产甲烷菌的基因组草图，该研究的重点是阿拉斯加土壤核心，其中既包含活性层，又包含永久冻结的土壤。
Jansson及其同事所做的工作只是阿拉斯加能源部正在进行的一项生态系统研究。通过位于 阿拉斯加州巴罗的下一代生态系统实验(NGEE Arctic)项目，一个由学术机构和国家实验室组成的联盟正在开发一个流程驱动的生态系统模型，使研究人员能够更好地预测气候变化中北极生态系统的演变。Jansson目前正在DOE JGI领导一个社区科学计划项目，为NGEE Arctic项目收集的样本进行测序。
本研究得出的见解揭示了温室气体释放中涉及的微生物过程，可能是温度变化的结果。团队保持更好地理解这些过程，以生成更准确的模型，从而预测环境后果。
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