12月23日，我校水環(huán)學(xué)院劉秀花教授團(tuán)隊(duì)在Nature子刊《地球與環(huán)境通訊》（Communications Earth & Environment）發(fā)表題為“Ultimate soil nitrogen microbial function evolution pathway fixation–comammox–nitrate reduction in long–term arid” 的最新研究成果。該成果首次證明：在長(zhǎng)期干旱壓力下，土壤微生物群落為適應(yīng)氮素限制演化出一條獨(dú)特的終極功能路徑：固氮-完全氨氧化-硝酸鹽還原循環(huán)。長(zhǎng)安大學(xué)黃土科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一完成單位，劉秀花教授與陜西省林科院馬延?xùn)|副研究員為共同通訊作者。合作者包括中科院地環(huán)所韓永明研究員、澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)Maggie Tang副教授等。
該研究以陜西洛川地區(qū)距今約50萬(wàn)年的黃土-古土壤序列為研究對(duì)象，通過(guò)整合氣候代用指標(biāo)（如碳酸鈣、磁化率、Rb/Sr比值）、土壤養(yǎng)分指標(biāo)（碳、氮、磷及δ15N）以及微生物群落指標(biāo)（細(xì)菌、真菌多樣性、群落結(jié)構(gòu)與功能）等多維度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)闡述了微生物群落如何應(yīng)對(duì)百年乃至萬(wàn)年尺度的氣候變化，其遺留的“生態(tài)記憶”如何影響當(dāng)下的生態(tài)系統(tǒng)功能，這個(gè)被“時(shí)間尺度”隱藏的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
該研究獲得了多個(gè)主要突破性認(rèn)知。一是延伸了傳統(tǒng)微生物演化驅(qū)動(dòng)因素：氮限制主要驅(qū)動(dòng)微生物百年乃至萬(wàn)年尺度演化。整合古氣候代用指標(biāo)（如碳酸鈣、磁化率、Rb/Sr比值）與微生物群落及功能基因分析，深入探討了長(zhǎng)期干濕氣候變化如何塑造土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)、功能及其遺留效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，與目前普遍認(rèn)為有機(jī)碳主導(dǎo)微生物群落結(jié)構(gòu)的假設(shè)不同，在千年-萬(wàn)年尺度，是土壤全氮含量驅(qū)動(dòng)微生物結(jié)構(gòu)和功能的演化格局，而非有機(jī)碳。二是提出了微生物功能演化終極路徑：γ-變形菌主導(dǎo)長(zhǎng)期干旱下氮循環(huán)“開(kāi)源”與“短路”。γ-變形菌在代表干旱氣候的黃土層中相對(duì)豐度明顯更高，其攜帶的共生固氮基因能夠在極度缺氮的環(huán)境中“開(kāi)源”，與完全氨氧化細(xì)菌協(xié)同，形成了一條高效節(jié)能的氮循環(huán)“短路”路徑：即將大氣氮固定后，通過(guò)微生物完全氨氧化（氨直接氧化為硝酸鹽）和硝酸鹽還原過(guò)程進(jìn)行轉(zhuǎn)化與利用。三是闡明了微生物應(yīng)對(duì)干旱生存智慧：跨越萬(wàn)年的“生態(tài)記憶”與進(jìn)化策略。微生物特定功能類(lèi)群主導(dǎo)的“短路”氮循環(huán)模式抑制了復(fù)雜的微生物群落發(fā)育，但維持了一條核心的結(jié)構(gòu)運(yùn)行通道。這種長(zhǎng)期的進(jìn)化策略形成了跨越萬(wàn)年時(shí)間尺度的穩(wěn)定性功能記憶或遺留效應(yīng)，意味著微生物群落演化在極端干旱環(huán)境下不是趨向復(fù)雜化，而是通過(guò)功能“專(zhuān)精化”和路徑“短路化”，以最節(jié)能的方式維持氮循環(huán)這一生命核心過(guò)程的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)。
審稿人評(píng)論，這項(xiàng)研究提出的γ-變形菌綱介導(dǎo)的氮循環(huán)“短路”機(jī)制，凸顯了特定微生物類(lèi)群的功能性狀在穩(wěn)定干旱土壤生態(tài)系統(tǒng)中的核心驅(qū)動(dòng)作用。這不僅為理解氣候變化下的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)、土壤記憶形成以及未來(lái)生物地球化學(xué)循環(huán)演變提供了關(guān)鍵見(jiàn)解，而且為了解未來(lái)干旱加劇情景下土壤氮循環(huán)的可能演變方向及生態(tài)系統(tǒng)的反饋機(jī)制提供了重要的科學(xué)價(jià)值。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s43247-025-03085-4
（審稿：荊琳 網(wǎng)絡(luò)編輯：和燕）
