土壤有机碳是地球表层陆地生态系统最大的碳库，其动态平衡不仅反映了生物群落组成和生态功能的变化，也深刻影响了生物圈温室气体的排放和气候变化过程。在当前全球温室效应日益显著的背景下，土壤碳库研究逐渐成为了生态学领域关注的重点。土壤微生物是驱动土壤碳转化的关键类群，尽管宏组学技术可通过基因丰度来预测物质循环过程，但受制于微生物生理状态、土壤有机质化学结构类型、有机碳氧化还原状态差异等复杂因素的影响，在微生物群落水平上开展土壤碳循环格局及过程的研究始终是一个难题。

　　在超过全球陆地面积40%的干旱区，由蓝藻、地衣、苔藓等隐花植物支撑的生物结皮群落（Biocrusts）分布广泛。它们不仅能防风固沙、成土培肥，还能促进荒漠生态系统生物群落的发育演替，其特征明显的初生演替过程是利用宏组学手段开展土壤生物群落研究的理想模式材料。中国科学院水生生物研究所胡春香研究员团队在前期多年研究工作基础上，对典型野外样地不同演替阶段的生物结皮（藻结皮、蓝藻地衣结皮、绿藻地衣结皮和藓结皮）开展了连续四年五批次的采样调查工作，运用多种宏基因组技术及大数据模型分析手段，结合生理层面的酶活性测定和环境因子关联分析，揭示了生物结皮群落微生物碳循环格局及其互作和调节机理。相关研究成果以“Carbon cycle in the microbial ecosystems of biological soil crusts”为题，近日在线发表于学术期刊Soil Biology and Biochemistry（DOI: 10.1016/j.soilbio.2022.108729）。

　　宏基因组的测序分析结果表明，耗能的光能驱动的无机碳（Inorganic Carbon, IC）固定基因丰度较低，经济的化能驱动的高分子有机碳降解、发酵、需氧呼吸和CO氧化基因较丰富。在有机碳的分解过程中，初期淀粉/糖原和纤维素的降解相关基因丰度更高，末期发酵相关基因的丰度更高。结合绝对定量的GeoChip分析及关键酶活性测定，发现在演替过程中无机碳固定、发酵、CH4氧化、淀粉/糖原和肽聚糖降解过程均呈下降趋势，多个高效的IC固定途径及CO氧化和大多类型的有机碳降解呈增加趋势。共现分析进一步表明，生物结皮生态系统中的碳循环由类似于初级生产的同化模块和类似于次级生产的异化模块组成；随演替，循环途径与微生物群落组成之间的关系发生着动态变化，两个模块通过CBB循环、乙醇和丙酸发酵连接在一起，并被干旱度和盐度平衡。以上研究结果深化了对生物结皮演替过程中碳循环途径和调控机制的理解，并为深入揭示气候变化条件下全球干旱区碳库平衡动态提供了研究基础。

　　水生所王琼博士为本论文第一作者、胡春香研究员为论文通讯作者，水生所张承才研究员、武汉理工大学张德禄教授参与了该项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金（41877339）、中科院先导A项目（XDA17010502）及中科院特色研究所服务项目（Y85Z061601）的资助。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071722001869

图1. 生物结皮群落中碳循环概念模型

图2. 基于宏基因组测序的生物结皮的碳循环；（a）PCA和PERMANOVA结果；（b）碳循环基因和途径的相对丰度；右侧分别为各无机碳固定（c）、CO氧化（d）、胞内复杂有机碳的降解（e）、胞外复杂有机碳降解（f）以及各发酵（g）途径的相对丰度；A、C、G、M分别代表处于不同演替阶段的四类生物结皮

图3. 基于GeoChip分析的关键基因或酶标准化平均信号强度；（a）无机碳固定、甲烷代谢以及CO氧化过程；（b）有机碳降解过程

图4. 碳循环关键基因与属水平高丰度微生物的共现性网络