土壤有機碳是地球表層陸地生態系統最大的碳庫，其動態平衡不僅反映了生物群落組成和生態功能的變化，也深刻影響了生物圈溫室氣體的排放和氣候變化過程。在當前全球溫室效應日益顯著的背景下，土壤碳庫研究逐漸成為了生態學領域關注的重點。土壤微生物是驅動土壤碳轉化的關鍵類群，盡管宏組學技術可通過基因豐度來預測物質循環過程，但受制于微生物生理狀態、土壤有機質化學結構類型、有機碳氧化還原狀態差異等復雜因素的影響，在微生物群落水平上開展土壤碳循環格局及過程的研究始終是一個難題。 

　　在超過全球陸地面積40%的干旱區，由藍藻、地衣、苔蘚等隱花植物支撐的生物結皮群落（Biocrusts）分布廣泛。它們不僅能防風固沙、成土培肥，還能促進荒漠生態系統生物群落的發育演替，其特征明顯的初生演替過程是利用宏組學手段開展土壤生物群落研究的理想模式材料。中國科學院水生生物研究所胡春香研究員團隊在前期多年研究工作基礎上，對典型野外樣地不同演替階段的生物結皮（藻結皮、藍藻地衣結皮、綠藻地衣結皮和蘚結皮）開展了連續四年五批次的采樣調查工作，運用多種宏基因組技術及大數據模型分析手段，結合生理層面的酶活性測定和環境因子關聯分析，揭示了生物結皮群落微生物碳循環格局及其互作和調節機理。相關研究成果以“Carbon cycle in the microbial ecosystems of biological soil crusts”為題，近日在線發表于學術期刊Soil Biology and Biochemistry（DOI: 10.1016/j.soilbio.2022.108729）。 

　　宏基因組的測序分析結果表明，耗能的光能驅動的無機碳（Inorganic Carbon, IC）固定基因豐度較低，經濟的化能驅動的高分子有機碳降解、發酵、需氧呼吸和CO氧化基因較豐富。在有機碳的分解過程中，初期淀粉/糖原和纖維素的降解相關基因豐度更高，末期發酵相關基因的豐度更高。結合絕對定量的GeoChip分析及關鍵酶活性測定，發現在演替過程中無機碳固定、發酵、CH₄氧化、淀粉/糖原和肽聚糖降解過程均呈下降趨勢，多個高效的IC固定途徑及CO氧化和大多類型的有機碳降解呈增加趨勢。共現分析進一步表明，生物結皮生態系統中的碳循環由類似于初級生產的同化模塊和類似于次級生產的異化模塊組成；隨演替，循環途徑與微生物群落組成之間的關系發生著動態變化，兩個模塊通過CBB循環、乙醇和丙酸發酵連接在一起，并被干旱度和鹽度平衡。以上研究結果深化了對生物結皮演替過程中碳循環途徑和調控機制的理解，并為深入揭示氣候變化條件下全球干旱區碳庫平衡動態提供了研究基礎。 

　　水生所王瓊博士為本論文第一作者、胡春香研究員為論文通訊作者，水生所張承才研究員、武漢理工大學張德祿教授參與了該項研究工作。該研究得到了國家自然科學基金（41877339）、中科院先導A項目（XDA17010502）及中科院特色研究所服務項目（Y85Z061601）的資助。

    文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071722001869