藍(lán)藻（又名藍(lán)細(xì)菌，Cyanobacterium）是能夠進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用、部分具有生物固氮活性的一類原核微生物，是生物圈所有綠色光合植物的進(jìn)化起源，也是地球上最重要的初級生產(chǎn)者之一。以系統(tǒng)分類中念珠藻目和顫藻目為主要類群的絲狀藍(lán)藻巧妙地利用荒漠稀疏降雨及非降雨水分的可利用窗口期生長繁殖，通過向周圍微環(huán)境中分泌胞外多糖等碳水化合物來粘合團(tuán)聚礦物質(zhì)顆粒，并以其自身絲狀或束狀細(xì)胞群體的機械纏繞作用在沙地表層0~2 cm垂直空間上形成了具有精巧分層結(jié)構(gòu)的生物土壤結(jié)皮（圖1）。 

圖1. 荒漠中陸生藍(lán)藻與生物土壤結(jié)皮分布特征。主要優(yōu)勢陸生絲狀藍(lán)藻細(xì)胞群體形態(tài) (a)；干旱區(qū)稀疏分布的維管植物間隙覆蓋的生物結(jié)皮 (b)；生物結(jié)皮表面特征及殼狀結(jié)構(gòu) (c, d)；無人機高空正攝影像中觀測到荒漠生境大面積分布的生物結(jié)皮 (e) 

　　作為干旱生境中的先鋒拓殖微生物，陸生藍(lán)藻在沙地固定與土壤形成、表土水分捕獲與保持、營養(yǎng)元素生物地化循環(huán)、植物群落發(fā)育演替等諸多方面無不扮演著極其關(guān)鍵的重要角色，其在荒漠退化土地修復(fù)和地外行星環(huán)境改造等領(lǐng)域的潛在價值一直備受關(guān)注。在氣候變化影響愈發(fā)顯著的背景下，深入認(rèn)識陸生藍(lán)藻多樣性及其維持生態(tài)系統(tǒng)功能的潛在機制將為開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)和退化生境修復(fù)等實踐工作提供科學(xué)依據(jù)。近日，中國科學(xué)院水生生物研究所藍(lán)藻分類與生態(tài)學(xué)研究團(tuán)隊在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域期刊Global Ecology and Biogeography在線發(fā)表題為“Multiple diversity facets of crucial microbial groups in biological soil crusts promote soil multifunctionality”的研究論文（DOI: 10.1111/geb.13295），綜合分析了生物結(jié)皮中以陸生藍(lán)藻為主的固碳-固氮關(guān)鍵類群微生物多樣性特征如何影響荒漠生態(tài)系統(tǒng)多維度功能水平（圖2）。 

圖2. 基于傳統(tǒng)生物多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系框架（BEF）提出的微生物關(guān)鍵功能類群維持生態(tài)系統(tǒng)多功能性機制研究思路 

　　針對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳氮基質(zhì)匱乏的基本特質(zhì)，水生所研究人員對生物結(jié)皮中以陸生藍(lán)藻為優(yōu)勢的固碳-固氮微生物進(jìn)行高通量擴增子測序，評估了該關(guān)鍵功能類群的豐富度、均勻度及系統(tǒng)發(fā)育差異性等多樣性特征，并結(jié)合七種荒漠土壤典型功能變量來描述生態(tài)系統(tǒng)多維度功能水平，通過可靠的生態(tài)學(xué)統(tǒng)計分析方法驗證了多樣性及豐度與生態(tài)系統(tǒng)多功能性之間的潛在關(guān)聯(lián)（圖3）。在經(jīng)典生物多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系研究（BEF）基礎(chǔ)上，考慮到微生物不同分類類群與生態(tài)功能關(guān)系保守性不高的問題，提出了基于功能類群的研究框架，強調(diào)了不同生態(tài)系統(tǒng)之間的根本差異與微生物關(guān)鍵類群識別在相關(guān)研究中的重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮中固氮-固碳微生物的綜合多樣性指數(shù)能比豐富度更好的預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)多功能性水平；不同層面多樣性特征的差異性決定了各功能類群對多功能性的獨特作用；此外，在物種水平上的功能顯著性評價可為各類群間的權(quán)衡和冗余提供重要線索，解釋了不同的多樣性效應(yīng)模式，即系統(tǒng)發(fā)育差異和豐富度分別是固碳、固氮微生物促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)功能的主導(dǎo)因素。因此，在分析生物多樣性效應(yīng)時需要考慮多樣性的多個層面；與群落水平相比，功能群內(nèi)的測定可以充分捕捉與土壤多功能性最相關(guān)的多樣性特征。本研究結(jié)果為進(jìn)一步深入理解生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系提供了新的研究視角。 

圖3. 環(huán)境及生物預(yù)測變量與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的分段結(jié)構(gòu)方程（pSEM）建模。連接網(wǎng)絡(luò)代表了地理條件、生境特征、氣候因素及微生物多樣性特征和絕對豐度影響土壤多功能性的相對貢獻(xiàn) 

　　本研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目（41877419）、青年科學(xué)基金（31400368）、科技部基礎(chǔ)性工作專項重點項目（2014FY210700）及中科院先導(dǎo)A項目（XDA17010502）的資助。中國科學(xué)院水生生物研究所為該論文第一完成單位和通訊單位，意大利佛羅倫薩大學(xué)與中國科學(xué)院武漢植物園為本研究合作單位。水生所藻類生物學(xué)及應(yīng)用研究中心李華副研究員為論文第一作者，李仁輝研究員為通訊作者。 

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/geb.13295