全球土壤微生物基因资源分布与保护现状研究取得进展

　　

土壤是地球上最丰富且最重要的生物多样性储库之一，土壤中的微生物携带着庞大的遗传信息，蕴藏着维持地球生态系统运行的关键功能潜力。土壤微生物基因资源不仅体现为功能基因的丰富度和差异性，还包括与微生物生态功能、功能性状以及酶活性潜力相关的遗传信息，支撑着陆地生态系统中的养分循环，植物生长以及土壤健康等关键过程。然而，与地表植物和动物多样性相比，土壤微生物基因资源具有高度隐蔽性和复杂性。全球哪些区域蕴藏着丰富且独特的微生物功能基因资源？这些重要的地下基因资源是否得到有效保护？这些问题仍缺乏系统认识。

对此，中国科学院南京土壤研究所褚海燕研究员、范坤坤副研究员联合西班牙塞维利亚自然资源与农业生物研究所（IRNAS-CSIC）、沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、澳大利亚西悉尼大学、西澳大学等国内外科研机构，并与来自20多个国家的研究人员开展合作，整合全球1609个土壤宏基因组样本，首次构建了全球土壤微生物基因资源分布图谱。研究系统解析了与微生物生态功能相关的大量功能基因，揭示了全球尺度上土壤微生物功能基因丰富度、差异性，以及25类微生物功能性状和7类关键酶谱的空间分布格局，并评估了这些地下基因资源的保护现状。

研究发现，全球土壤微生物功能基因丰富度和差异性呈现出不同的空间分布规律。功能基因丰富度热点广泛分布于不同生态系统，而功能基因差异性热点则主要集中于热带地区。例如，亚马逊盆地和刚果盆地表现出较高的功能基因差异性，表明这些区域具有独特的微生物功能组成；然而，这些地区的基因丰富度却明显较低。在全球范围内，同时具备高功能基因丰富度和高功能基因差异性的区域极为有限，仅占全球陆地面积的5.5%。这些区域分布于北美和南美部分地区、北欧以及东南亚等区域，是具有重要保护价值的土壤微生物基因资源储库。因此，未来生物多样性保护不能仅关注物种数量或单一多样性指标，还需要综合考虑微生物功能基因资源的丰富性和差异性。

研究进一步发现，干旱生态系统是全球微生物功能性状和酶谱的重要热点区域。传统观点认为，干旱区由于水分限制通常具有较低的生物多样性，但本研究发现，干旱环境塑造了独特的微生物适应策略，并孕育了大量具有生态价值的功能基因资源。例如，为应对长期水分缺乏，干旱区微生物演化出促进细胞迁移、维持渗透平衡等适应机制；面对高盐、强紫外辐射以及剧烈温度变化等压力，微生物则表现出增强离子调控、DNA修复和耐热能力等功能特征。这些特殊基因资源对于维持干旱生态系统稳定性以及提升生态系统应对未来气候变化的能力具有重要意义。

与此同时，研究揭示了当前全球生物多样性保护体系对土壤微生物基因资源关注不足的问题。研究发现，全球土壤微生物基因资源热点区域中，仅不足25%位于现有保护区域内，而部分关键微生物功能性状的保护比例甚至低于15%。这些发现揭示了从热带、温带、干旱到极地生态系统中普遍存在的重大保护缺口，大量具有重要生态功能的土壤基因资源尚未被纳入现有保护体系。此外，研究发现土壤微生物功能基因分布格局与传统细菌和真菌物种多样性分布格局存在明显差异。部分区域虽然具有较低的细菌或真菌物种丰富度，却可能拥有较高的功能基因丰富度或独特的功能基因资源。这说明，仅依赖传统的物种多样性指标无法全面评估和保护地下微生物基因资源。未来全球生物多样性保护体系需要从关注“可见生命”的物种保护，进一步拓展至涵盖功能基因、生态功能和遗传潜力的多维保护模式。

该研究首次在全球尺度揭示了土壤微生物基因资源的空间分布格局及其保护缺口，为全球地下生物资源的识别、监测和保护提供了科学依据，也为未来将微生物基因资源纳入全球生物多样性保护目标和保护地规划提供了重要支撑。研究成果推动生物多样性保护理念从关注地表生命多样性，延伸到支撑地球生态系统运行的地下生命网络。

上述研究成果以“A global atlas of soil microbial genetic resources exposes protection shortfalls”为题发表在Nature Sustainability期刊上。

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图1全球土壤微生物基因多样性与差异性的分布热点以及保护现状

图2 土壤微生物基因资源多样性与细菌、真菌物种多样性全球分布格局