在全球气候变化与土地退化加剧背景下，干旱区约占全球陆地表面的46%，其中逾30%的裸露地表被生物结皮所覆盖。以丝状蓝藻为建群物种的生物结皮通过稳定沙面、改善土壤结构与促进养分循环，在干旱区生态系统中发挥着不可替代的生态功能。接种蓝藻以加速生物结皮形成已成为退化干旱区生态恢复的重要策略，然而，在季节性环境胁迫下生物结皮如何维持微生物生物量碳（MBC）积累的原位机制长期以来仍不清晰。

中国科学院水生生物研究所特殊环境藻类生物学研究团队，以内蒙古库布其沙漠为野外研究区域，结合原位接种实验与多组学分析及基因组代谢建模，系统揭示了蓝藻接种后生物结皮在近周年发育与碳积累过程中丝状蓝藻间功能交接及与异养细菌代谢互作机制（图1）。相关研究成果以“Stage-specific cyanobacterial handoffs and heterotrophic subsidies underpin biocrust carbon accumulation”为题，近期发表于国际微生物生态学会期刊《ISME Communications》。水生所博士毕业生张忺为论文第一作者，胡春香研究员与李华副研究员为共同通讯作者，韩迎春、李琪、杨海剑参与了该研究工作。

图1. 蓝藻接种后生物结皮发育的三个阶段

研究团队通过跨季节多组学追踪发现，尽管接种的锥顶丝藻（Konicacronema sp., 原微鞘藻类群）藻株保持分类学优势，宏转录组与宏蛋白质组数据却揭示"功能交接"现象，微鞘藻类群（Microcoleus-like）在结皮形成初期通过氧化戊糖磷酸途径和酶促抗氧化系统驱动快速建群，而颤藻（Oscillatoria）等在季节转换期通过增强光能捕获、环式电子传递和非酶光保护机制占据转录主导地位。这表明生物结皮碳积累由蓝藻类群间的阶段性功能分工支撑，该研究也是首个真实荒漠严酷环境下生物结皮模式群落形成过程的周年多组学解析。

基因组代谢建模预测优势丝状蓝藻主要作为净摄取者，从异养伙伴获取氨基酸、维生素、细胞壁前体和磷酸盐，同时提供无机硫和铁硫簇（图2）。代谢互养具有阶段性特征，形成期Microcoleus类群与拟杆菌配对支持快速增殖，季节转换期转向与粘球菌配对维持核心代谢。共现互作网络与生活史策略分析揭示，MBC的维持伴随从生长导向向由ABC转运蛋白介导的获取导向策略的转变。分段结构方程模型进一步表明，太阳辐照和土壤盐分通过影响蓝藻群落组成及光合同化与资源获取策略间的平衡间接调控MBC长期积累。

图2. 优势蓝藻-异养细菌代谢互养的双向代谢物交换

本研究构建了“蓝藻功能交接—异养代谢补偿—生活史策略转变—碳积累”的级联框架，为干旱区生态恢复技术革新提供了新思路。在人工诱导生物结皮发育时，应从依赖单一先锋藻株或简单丰度搭配接种，向构建时序互补的联合接种体转变。以Microcoleus类群启动结皮形成，引入Oscillatoria、Crinalium等协作类群维持季节性胁迫下的功能活性，并招募异养伙伴承担养分循环与关键物质的生物合成功能。本研究得到了国家自然科学基金面上项目（具鞘微鞘藻在旱地表土高频率高丰度广泛分布的强抗性机理）、重点项目、湖北省杰出青年基金及中国科学院战略先导专项的资助。

论文链接：

Zhang X, Li H, Han YC, et al. ISME Communications, 2026, 6(1), ycag254. https://doi.org/10.1093/ismeco/ycag254