在沙漠和旱地中，有一種神奇的生物土壤結皮被稱為“沙漠皮膚”，其在維持土壤健康、減少侵蝕、促進養分迴圈等方面發揮重要作用。綠藻（特指片球藻屬綠藻）就是土壤結皮中的重要成員之一，因其能適應各種極端環境如冰川、火山等處的土壤，並在壓力下展現卓越的脂質積累能力而引發關注。儘管結皮綠藻具有重要的生態和生物技術意義，但我們對其仍知之甚少。

近日，武漢華大生命科學研究院聯合德國馬普所在《自然·通訊》（Nature Communications）發表最新研究成果。該研究首次完成土壤結皮綠藻的基因組解析，揭示了其通過基因水準轉移（HGT）和獨特油脂代謝調控來適應極端環境的背後機制，為將來通過生物技術來提升旱地生態系統與沙漠改造提供了較好的科學支撐。

Nature Communications官網截圖

將沙粒“黏”在一起

生物土壤結皮覆蓋了地球陸地表面積的40%以上。然而，隨著氣候變化和人類活動的加劇，生物土壤結皮面臨嚴重破壞。結皮綠藻能夠分泌胞外多糖，將鬆散的沙粒黏在一起形成穩定的結構，這不僅防止了土壤侵蝕，還能保護土壤免受外界環境的直接影響。

在乾旱環境中，結皮綠藻通過增加土壤的保水能力來支援植物生長；此外，結皮綠藻能將大氣中的氮轉為有機化合物，隨著有機物質被植物吸收，進而促進整個生態系統的養分迴圈。

適應極端環境的“基因密碼”

本研究依託華大自主研發的DNBSEQ和MGISEQ測序平臺，首次完成片球藻屬下兩種綠藻B.bullatus和B.minor染色體級別的基因組組裝。

相較于其他綠藻，研究人員發現它們的基因組中包含了大量與環境適應相關基因的擴增和新功能化現象。比如，這兩種綠藻都表現出與氮代謝、脂肪酸延伸，以及角質、蠟生物合成相關的基因家族的擴張，這些特徵對在乾燥、溫度波動和營養缺乏的環境中生存至關重要。此外，研究人員發現這兩種綠藻通過基因水準轉移，從細菌和真菌等物種中獲得了兩百多個基因，這些基因可能有助於抵抗紫外線、調節滲透和生産抗氧化劑，使其能在營養貧乏的土壤中生存。

結皮綠藻基因組特徵及系統發育分析

利用獨特的油脂代謝能力應對不利環境

為了進一步探索結皮綠藻的生理適應性，研究人員通過轉錄組、蛋白組和代謝組的聯合分析，系統解析了其在多種不利條件下的油脂代謝變化。多組學分析顯示，結皮綠藻能夠通過靈活的極性油脂與中性油脂的相互轉化來改變脂質代謝，並通過平衡膜脂來保持結構完整性、平衡儲存脂質來保持能量儲備。這種代謝可塑性在大多數水生藻類中是不存在的，是一種獨特的陸地藻類適應機制。

結皮綠藻脂質代謝調控機制

綜上，該研究首次破譯了土壤結皮綠藻的基因組圖譜，鑒定了大量抗性相關的基因創新，挖掘了油脂代謝關鍵的調控基因並繪製了相關網路。在氣候變化和荒漠化加劇的背景下，這項研究為理解結皮綠藻的環境適應機制提供了新見解，也為利用這些綠藻進行生態修復和潛在生物技術應用提供了重要的基因資源。

該項目屬於萬種植物基因組計劃（10KP Project: https://db.cngb.org/10kp/） ，其中“綠色植物藻類陸地化與早期綠地植物苔蘚”專項，專注于藻類水生到陸生，及苔蘚早期陸地生長適應性的分子機制，目前已經完成超過百種藻類苔蘚植物基因組測序。2019年，于Nature Plants發表早期輪藻基因組，揭示植物陸地化過程中重要基因的起源機制；2020年，于Nature Ecology & Evolution報道新發現的綠色植物的第三個分支“華藻門”，改寫植物演化的家族譜係；同年，于Nature Plants發表了首個角苔基因組揭示早期陸地植物的進化。

此外，華大在土壤改善及植物與微生物互作機制方面也開展了系統研究。2022，于Nature Commnunications發表穀子基因型、根系微生物組與農藝性狀之間的互作網路；2023年，于Microbiome揭示土壤養分及耐鹽微生物的組成，能夠顯著促進廣陳皮的活性成分的合成與積累，揭示中藥材“道地性”的成因。

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