Nature Commun | “沙漠皮肤”生物结皮土壤绿藻的基因组适应机制，助力土壤修复与油脂代谢研究

在沙漠和旱地中，有一种神奇生物结皮，被称为“沙漠皮肤”或“旱地‘活皮肤’”，由微生物、地衣、苔藓及真菌等组成。它虽不起眼，却在生态系统中有着不可替代的作用，在维持土壤健康、减少侵蚀、支持干旱生态系统的养分循环、促进碳氮循环等方面发挥重要作用。而胶球藻作为生物结皮的常见 “居民”，一直隐藏着许多不为人知的秘密。

图1 生物土壤结皮

近日，华大生命科学研究院联合德国马普所在Nature Communications期刊发表了题为Chromosome-level genomes of two Bracteacoccaceae highlight adaptations to biocrusts的研究论文。该研究联合比较基因组学、系统发育学、转录组、蛋白组和代谢组，完成了首个土壤结皮绿藻片球藻的基因组解析，揭示了其通过基因水平转移（HGT）和独特油脂代谢调控来适应极端环境的机制，对生物技术提升旱地生态系统和沙漠改造提供较好的科学技术支撑。

生物土壤结皮（biocrusts）其覆盖了地球陆地表面40%以上。然而，随着气候变化和人类活动的加剧，生物土壤结皮面临严重的破坏。绿藻在结皮土壤中的发挥重要作用，其通过分泌胞外多糖，将松散的沙粒黏结在一起，形成稳定的结皮层。这种结构不仅防止了土壤侵蚀，还保护了土壤免受外界环境的直接影响。在干旱环境中，藻类结皮通过增加土壤的水分保持能力，帮助调节土壤湿度，从而支持植物生长。藻类还能吸收并缓慢释放水分，增加土壤的水分利用率。此外，绿藻还参与土壤中的养分循环，特别是通过固氮作用，将大气中的氮转化为有机化合物，这些有机物质随后被植物吸收，促进了整个生态系统的养分循环。

片球藻属（Bracteacoccus）绿藻是生物土壤结皮中重要成员之一，其因无处不在的极端栖息地（分布范围可从极地冰川到火山土壤）而引人关注。此外，其在压力下非凡的脂质和类胡萝卜素积累能力（其脂质含量可达细胞干重的63%），也展现了潜在的生物能源应用前景。尽管片球藻具有重要生态和生物技术意义，但它的基因组结构以及适应极端环境的遗传基础仍然知之甚少。

基因组揭示环境适应性基于华大自主测序平台，本研究首次完成片球藻属两个物种B. bullatus 和 B. minor 染色体级别的基因组组装。与其它绿藻进行比较，研究人员发现它们的基因组中包含大量与环境适应相关基因的扩增和新功能化（neofunctionalization）的现象。比如，这两个物种都表现出与氮代谢、脂肪酸延伸和角质/蜡生物合成相关的基因家族的扩张，这些特征对在干燥、温度波动和营养缺乏中生存至关重要。此外，研究人员发现片球藻通过HGT从细菌和真菌等物种中获得的两百多个基因增强了抗逆性。这些基因可能有助于抗紫外线、渗透调节和抗氧化剂的产生，使其能够在营养贫乏的土壤中生存。

图2 片球藻基因组特征及系统发育分析

独特油脂代谢调控应对环境压力为了探索结皮绿藻的生理适应性，研究人员通过转录组、蛋白组和代谢组的联合分析，系统解析了片球藻在不同胁迫条件下的油脂代谢变化。多组学分析显示，片球藻通过动态、高效且灵活的极性油脂到中性油脂的相互转化，来改变脂质代谢，平衡膜脂以保持结构完整性，平衡储存脂质以保持能量储备。这种代谢可塑性在大多数水生藻类中是不存在的，强调了一种独特的陆地适应机制。

图3 压力胁迫下片球藻脂质代谢的调控机制

综上所述，该研究破译了首个生物土壤结皮绿藻-片球藻基因组遗传图谱；鉴定了大量抗性相关的基因创新；挖掘了油脂代谢通路关键调控基因并绘制了片球藻油脂调控网络。总之，在气候变化加剧荒漠化的背景下，这项研究为理解生物土壤结皮藻类的环境适应机制提供了新见解，也为利用这些绿藻进行结皮土壤的生态修复和潜在生物技术应用提供了重要的基因资源。

该项目属于万种植物基因组计划（10KP Project: https://db.cngb.org/10kp/）。其中绿色植物藻类陆地化与早期绿地植物苔藓专项，专注于藻类水生到陆生及苔藓早期陆地生长适应性的分子机制，已经完成超过百种藻类苔藓植物基因组测序。于2019年在Nature Plants分别发表了早期轮藻基因组揭示植物陆地化过程中重要基因的起源机制。于2020年在Nature Ecology & Evolution报道了新发现绿色植物的第三个分支“华藻门”，改写了植物演化的家族谱系。于2020年共同在Nature Plants发表了首个角苔基因组揭示早期陆地植物的进化。

华大在土壤改善及植物与微生物互作机制方面也开展了系统研究，于2022在Nature Commnunications发表谷子基因型、根系微生物组与农艺性状之间的互作网络，证实了微生物介导的促生和抑制生长的效应受到宿主基因型的影响，首次提出谷子基因型依赖的微生物效应。2023年在Microbiome揭示了广陈皮道地产区中，土壤养分及耐盐微生物的组成能够显著促进广陈皮的活性成分单萜的合成与积累，科学地揭示了中药材“道地性”的成因。

中国科学院大学已毕业博士生梁红平、徐妍为该论文共同第一作者。华大生命科学研究院刘欢研究员、王思博研究员，德国马普所Micheal Melkonian教授为论文共同通讯作者。本项目依托华大自主基因测序技术和测序平台，助力基因组学研究。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56614-2