从殖民到稳定：蓝藻与好氧不产氧光养细菌在珊瑚岛生物结皮形成发展中的角色转变

本研究针对珊瑚岛生态系统脆弱性及生物结皮（biocrust）形成机制不明的科学问题，通过qPCR、高通量测序和理化分析技术，揭示了蓝藻（cyanobacteria）与好氧不产氧光养细菌（AAPB）在生物结皮不同发育阶段（2-6年）的丰度动态、群落互作及环境驱动因素。研究发现AAPB在中期阶段丰度峰值显著，与蓝藻的互作强度随结皮成熟而减弱，二者通过固氮（N2 ）、碳固定（CO2 ）和胞外多糖合成共同促进土壤稳定与养分循环，为珊瑚岛生态修复提供理论依据。

　　

珊瑚岛生态系统因其独特的碳酸盐基质和极端环境条件（高温、高盐、强光照），长期面临土壤贫瘠和侵蚀的挑战。生物结皮（biocrust）作为地表"生态工程师"，通过微生物群落（如蓝藻和好氧不产氧光养细菌）的协同作用，能够固定大气氮素（N₂
）、积累有机碳（TOC），并分泌胞外多糖稳定松散沙粒。然而，在珊瑚岛这种特殊生境中，两类关键光养微生物——蓝藻（cyanobacteria）与好氧不产氧光养细菌（aerobic anoxygenic phototrophic bacteria, AAPB）如何动态互作以驱动结皮发育，仍是未解之谜。

为解决这一问题，中国科学院南海海洋研究所等机构的研究人员选取南沙群岛美济岛的生物结皮为研究对象，通过跨年度（2年、4年、6年）追踪分析，结合分子生物学与土壤理化手段，首次系统阐明了蓝藻与AAPB在珊瑚岛生物结皮演替中的功能分工。研究发现，随着结皮发育，土壤pH显著降低（从8.2降至7.5），而总氮（TN）、总有机碳（TOC）和叶绿素a
（Chl a
）含量显著提升，表明微生物活动重塑了土壤微环境。值得注意的是，蓝藻丰度（通过16S rRNA基因定量）在各阶段保持稳定，而AAPB（通过puf
M基因检测）在4年阶段出现丰度峰值，暗示其在中期演替中发挥关键作用。高通量测序进一步揭示，两类微生物的群落结构均随结皮成熟发生显著更替，其中蓝藻属Microcoleus
通过丝状体形成机械骨架，而AAPB则利用近红外光（760-1130 nm）补充能量需求。共现网络分析显示，蓝藻-AAPB互作强度在早期阶段最高，至6年阶段显著减弱，反映二者从功能互补逐渐转向生态位分化。该成果发表于《Applied Soil Ecology》，为珊瑚岛生态修复提供了微生物驱动机制的理论支撑。

关键技术方法包括：1）采集美济岛不同发育阶段（2/4/6年）生物结皮样本；2）qPCR定量蓝藻（16S rRNA）和AAPB（puf
M）功能基因；3）Illumina高通量测序解析微生物群落结构；4）测定pH、TN、TOC、TP、Chl a
等土壤理化指标；5）共现网络分析微生物互作关系。

研究结果

1. 土壤理化特性变化：生物结皮形成导致土壤pH显著降低（p
   <0.05），TN、TOC、TP和Chl a
   含量随发育阶段递增，表明微生物活动促进养分富集。
2. 微生物丰度动态：qPCR显示蓝藻丰度稳定，AAPB在4年阶段出现峰值（较2年高1.8倍），暗示其在中期的生态位优势。
3. 群落结构演变：测序数据表明，蓝藻优势属从Leptolyngbya
   向Microcoleus
   转变，AAPB中α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）占比达75%。
4. 环境驱动分析：RDA排序揭示pH、TN和Chl a
   是影响群落结构的关键因子（解释度62%）。
5. 互作网络特征：早期阶段蓝藻-AAPB共现边数占比38%，至6年阶段降至21%，反映功能耦合强度随结皮成熟减弱。

结论与意义
该研究首次系统描绘了珊瑚岛生物结皮发育过程中蓝藻与AAPB的生态分工图谱：早期阶段，蓝藻通过丝状生长和胞外多糖分泌构建物理骨架，同时AAPB利用独特的光能捕获能力（近红外光）补充能量缺口；中期阶段（4年），AAPB丰度激增，通过氮固定和有机碳转化加速养分积累；至成熟阶段（6年），二者互作减弱，形成相对独立的生态位。这一发现不仅深化了对极端环境微生物演替规律的认识，更为珊瑚岛生态修复提供了精准干预靶点——例如通过人工接种中期优势AAPB菌株加速结皮形成。此外，研究揭示的近红外光利用机制，为开发新型光合微生物肥料开辟了思路。未来研究可进一步解析两类微生物代谢物（如胞外多糖、铁载体）的交互作用，以优化生物结皮人工构建技术。