气候变化条件下荒漠蓝藻对水分胁迫的多层级响应机制研究

Terrestrial cyanobacteria in biological soil crusts (BSCs), as the pioneers and crucial functional groups, play a key role in maintaining and enhancing ecosystem services and functioning of arid/semiarid lands. Given the increasing impacts of global climate changes, the periodic precipitation patterns would be also modified significantly. The mechanisms that how desert cyanobacteria synergistically respond against the water stress at multiple levels (cell genetic and community levels) might determine biodiversity and ecosystem multi-functional properties, and influence the resilience and health of desert ecosystems deeply. Based on the previous work on cyanobacterial physiological responding processes, this project plan to further investigate the genetic regulative network of terrestrial cyanobacteria on the water stressing process, quantify the responding strategies of multi-properties of community biodiversity (ACE richness, evenness, phylogenetic distance, community structure, and interspecies interaction), and analysis the relative contribution of different responding mechanisms on the stress tolerance by performing piecewise structural equational modeling (SEM). Furthermore, we will try to reveal the multiple mechanisms of desert cyanobacteria at different levels on water stress in drylands. The expectant results could sustain the very important foundation for ecosystem prediction of desert fragile habitats under the background of global change, and support the ecological restoration of degraded soils in arid lands.

作为干旱生境的先锋拓植生物和关键功能类群，生物土壤结皮中陆生蓝藻对荒漠生态系统服务功能的维持起着决定性重要作用。随着气候变化影响愈发凸显，周期性降水模式正发生重大变化。荒漠蓝藻如何在物种与群落水平上对水分胁迫进行多层级协同响应将根本改变结皮群落生物多样性与生态系统多功能特征，并深刻影响荒漠生态系统恢复力与生态健康。基于前期蓝藻响应环境胁迫的细胞生理学机制研究工作，本项目拟结合最新分子生态学研究手段并综合运用微生物生态学与数量生态学理论方法来进一步对陆生蓝藻水分胁迫过程中的分子调控机制进行深入分析，量化群落多样性多维特征对水分胁迫的响应策略，并运用结构方程模型等路径分析方法挖掘不同水平响应过程对群落胁迫耐受性的贡献份额，揭示荒漠蓝藻水分胁迫的多元响应机制。研究成果将对全球气候变化大背景下荒漠脆弱生态系统的变化趋势提供极其重要的预测依据，也将为荒漠退化土地生态修复工程提供坚实的理论与技术支撑。

作为干旱生境中的先锋拓殖微生物，陆生蓝藻在沙地固定与土壤形成、表土水分捕获与保持、营养元素的生物地化循环、植被群落的发育演替等诸多方面都关系密切，其在荒漠退化土地的生态修复与地外行星环境改良等领域的潜在价值一直备受关注。在气候变化影响愈发显著的背景下，深入认识陆生蓝藻多样性、环境适应性及其维持生态系统功能的遗传进化及生理生态学机制将为开展生态环境保护和退化生境修复等提供科学依据。本研究以荒漠地区生物土壤结皮及陆生蓝藻为研究材料，结合生物地理学、微生物生态学及比较基因组学等研究手段，从宏观到微观，在区域尺度气候梯度条件下系统分析了荒漠蓝藻响应外界水分胁迫的分子与群落生态学机制。在项目执行期内完成了我国北方荒漠地区生物土壤结皮及陆生蓝藻的大规模调查采样工作，分离并初步纯化陆生蓝藻藻株110株，结合二代及三代基因组测序技术完成基因组测序40余株；搭建完成了室内步入式人工气候室，开展了荒漠主要优势蓝藻微鞘藻及念珠藻的比较基因组学分析，深入研究了不同蓝藻适应干旱极端环境的遗传进化机制；在地理大尺度上开展了陆生蓝藻多样性多维特征与生态系统多功能性关联分析，提出了基于关键微生物类群内多样性特征的评估框架，综合评估了蓝藻丰富度、均匀度、发育进化差异、种间相互作用等多样性特征如何影响荒漠生态系统多维度功能性；研究了蓝藻不同形态类型群落装配的生态驱动力贡献，揭示了区域干燥度对蓝藻群落装配过程的调节作用；同时，开展了全球尺度结皮优势蓝藻附生细菌的装配模式与结皮群落功能维持过程的Meta分析，证明功能维持倾向于来自各功能群内部的物种周转，帮助深入理解了荒漠蓝藻维持其绝对优势的可能机制。研究结果为运用蓝藻接种生态修复技术治理荒漠退化土地实践提供了新的科学支撑。在本项目资助下，已发表SCI研究论文3篇、学术会议报告1份、另有3篇SCI论文正在撰写或投稿中，协助培养博士后1名、博士生3名。