夏威夷岛雪藻的殖民历史：全球冰缘生物扩散与岛屿特有进化的新证据

本研究针对全球冰缘生态系统中最孤立的夏威夷岛，首次揭示了雪藻（snow algae）的殖民动态与进化历程。通过ITS2扩增子测序和系统发育分析，团队发现两种截然不同的扩散模式：广泛分布的Sanguina类群通过现代气候条件扩散至夏威夷，而特有的Chloromonadinia类群则通过253-130 ka（千年前）的冰川事件定植。研究结合古气候重建与分子钟分析，证实波哈库洛阿冰期（MIS 6）为雪藻提供了长期栖息地，揭示了冰川周期对微生物生物地理格局的塑造作用。该成果发表于《The ISME Journal》，为理解极端环境微生物的扩散机制与岛屿特有进化提供了范式。

　　

在浩瀚的太平洋中央，夏威夷岛如同被世界遗忘的冰雪孤岛。这座距离最近大陆3900公里的火山岛屿，其海拔4205米的冒纳凯阿峰（Maunakea）顶偶尔覆盖的雪斑，竟隐藏着微生物跨越时空的史诗。2023年拉尼娜现象带来的异常持久积雪，让科学家首次捕捉到这片"红色沙漠"中雪藻（snow algae）的踪迹——这些通过产生虾青素（astaxanthin）将雪染红的微型光合生物，在极地和山地广泛分布，却从未在如此孤立的热带环境被系统研究。

这项由Takahiro Segawa和Kenji Yoshikawa团队开展的研究，直指微生物生物地理学的核心谜题：不连续的冰缘栖息地如何影响微生物的扩散与进化？通过比较现代气候事件与古冰川期的殖民动态，研究者揭示了两种截然不同的生存策略。2023年夏季，研究团队在冒纳凯阿北坡采集的雪样中，通过显微镜观察到直径12-74μm的红色细胞群，高效液相色谱（HPLC）分析确认其色素以虾青素单酯/二酯为主。

为追溯这些微生物的起源，团队采用ITS2（internal transcribed spacer 2）核糖体DNA扩增子测序技术，对328个绿藻门（Chlorophyta）扩增子序列变异（ASV）进行系统发育分析。结果显示雪藻群落由79%的Chloromonadinia雪藻组和7%的Sanguina类群主导，其中95%的ASV为夏威夷特有型。通过贝叶斯分子钟分析，研究者发现最大的特有分支Hawai‘i clade 1（含171个ASV）与近缘类群的分化时间为253-130 ka，恰好对应冒纳凯阿峰被冰盖覆盖的波哈库洛阿冰期（Pohakuloa glaciation）。

主要技术方法

研究结合多学科技术：1）通过显微计数和HPLC量化雪藻细胞浓度与色素组成；2）采用无菌采样和超净工作台进行DNA提取，避免现代污染；3）ITS2扩增子测序（Illumina MiSeq平台）结合DADA2算法解析微生物多样性；4）基于RNA二级结构（如YGGY基序）界定物种边界；5）利用BEAST软件进行分子钟分析，结合冰芯¹⁴C测年数据校准进化时间尺度；6）通过贝叶斯天际线图（Bayesian skyline plot）重建种群历史动态。

研究结果

Maunakea积雪与红雪藻（2021与2023年）

比较两年数据发现，2023年积雪持续至7月底的罕见事件使雪藻浓度达12,300 cells/mL。HPLC显示6-7月间虾青素二酯（Chloromonadinia标志物）减少而单酯（Sanguina特征）增加，反映群落演替。

雪藻类群组成

ITS2分析揭示Chloromonadinia雪藻组（占总量66%）和Sanguina组（26%）的季节性更替：前者在积雪2个月后出现，后者仅在夏季积雪末期活跃。定量PCR证实ASV1（Chloromonadinia）和ASV2（Sanguina）随积雪时间延长而增长。

系统发育分歧与种群动态

特有型Chloromonadinia形成10个分支，其中Hawai‘i clade 1（66%序列）在130 ka经历种群扩张，对应末次冰消期。相比之下，广布型Sanguina nivaloides的分化仅7.4 ka，其种群增长始于1 ka内，反映现代扩散。

讨论与意义

这项研究首次证实：1）全球最孤立的冰缘生态系统仍存在微生物的多次定植事件，其中特有类群通过休眠策略（dormancy）适应间歇性积雪；2）冰川期（如MIS 6）为跨洋扩散创造"垫脚石"，而现代气候波动（如ENSO）仅支持机会主义者（如Sanguina）的暂时存活；3）火山灰基质可能通过保留休眠细胞促进特有谱系延续。

该成果为理解岛屿微生物的"生物多样性悖论"提供新视角——尽管夏威夷雪藻遭遇比极地更严苛的环境过滤，其特有型比例（95%）却远超极地（平均55%），暗示极端隔离反而加速微进化。随着气候变化缩短积雪期，这些冰川"活化石"可能成为监测生态临界点的敏感指标。正如作者指出："冒纳凯阿的雪藻就像被按下暂停键的时光胶囊，记录着地球气候变迁下生命的顽强与脆弱。"