在沙漠和旱地中，有一种神奇的生物土壤结皮被称为“沙漠皮肤”，其在维持土壤健康、减少侵蚀、促进养分循环等方面发挥着重要作用。绿藻（特指片球藻属绿藻）就是土壤结皮中的重要成员之一，因能适应各种极端环境如冰川、火山等处的土壤，并在压力下展现卓越的脂质积累能力而引发关注。尽管结皮绿藻具有重要的生态和生物技术意义，但我们对其仍知之甚少。
近日，武汉华大生命科学研究院联合德国马普所在《自然·通讯》（Nature Communications）发表最新研究成果。该研究首次完成土壤结皮绿藻的基因组解析，揭示了其通过基因水平转移和独特油脂代谢调控来适应极端环境的背后机制，为将来通过生物技术来提升旱地生态系统与沙漠改造提供了较好的科学支撑。
将沙粒“黏”在一起
生物土壤结皮覆盖了地球陆地表面积的40%以上。然而，随着气候变化和人类活动的加剧，生物土壤结皮面临严重破坏。结皮绿藻能够分泌胞外多糖，将松散的沙粒黏在一起形成稳定的结构，这不仅防止了土壤侵蚀，还能保护土壤免受外界环境的直接影响。
在干旱环境中，结皮绿藻通过增加土壤的保水能力来支持植物生长；此外，结皮绿藻能将大气中的氮转为有机化合物，随着有机物质被植物吸收，进而促进整个生态系统的养分循环。
适应极端环境的“基因密码”
本研究依托华大自主研发的DNBSEQ测序平台，首次完成片球藻属下两种绿藻B.bullatus和B.minor染色体级别的基因组组装。
相较于其它绿藻，研究人员发现它们的基因组中包含了大量与环境适应相关基因的扩增和新功能化现象。比如，这两种绿藻都表现出与氮代谢、脂肪酸延伸，以及角质、蜡生物合成相关的基因家族的扩张，这些特征对在干燥、温度波动和营养缺乏的环境中生存至关重要。此外，研究人员发现这两种绿藻通过基因水平转移，从细菌和真菌等物种中获得了两百多个基因，这些基因可能有助于抵抗紫外线、调节渗透和生产抗氧化剂，使其能在营养贫乏的土壤中生存。
利用独特的油脂代谢能力应对不利环境
为了进一步探索结皮绿藻的生理适应性，研究人员通过转录组、蛋白组和代谢组的联合分析，系统解析了其在多种不利条件下的油脂代谢变化。多组学分析显示，结皮绿藻能够通过灵活的极性油脂与中性油脂的相互转化来改变脂质代谢，并通过平衡膜脂来保持结构完整性、平衡储存脂质来保持能量储备。这种代谢可塑性在大多数水生藻类中是不存在的，是一种独特的陆地藻类适应机制。
综上，该研究首次破译了土壤结皮绿藻的基因组图谱，鉴定了大量抗性相关的基因创新，挖掘了油脂代谢关键的调控基因并绘制了相关网络。在气候变化和荒漠化加剧的背景下，这项研究为理解结皮绿藻的环境适应机制提供了新见解，也为利用这些绿藻进行生态修复和潜在生物技术应用提供了重要的基因资源。
该项目属于万种植物基因组计划（10KP Project: https://db.cngb.org/10kp/），其中“绿色植物藻类陆地化与早期绿地植物苔藓”专项，专注于藻类水生到陆生，及苔藓早期陆地生长适应性的分子机制，目前已经完成超过百种藻类苔藓植物基因组测序。2019年，于Nature Plants发表早期轮藻基因组，揭示植物陆地化过程中重要基因的起源机制；2020年，于Nature Ecology & Evolution报道新发现的绿色植物的第三个分支“华藻门”，改写植物演化的家族谱系；同年，于Nature Plants发表了首个角苔基因组，揭示早期陆地植物的进化。
此外，华大在土壤改善及植物与微生物互作机制方面也开展了系统研究。2022，于Nature Commnunications发表谷子基因型、根系微生物组与农艺性状之间的互作网络；2023年，于Microbiome揭示土壤养分及耐盐微生物的组成，能够显著促进广陈皮的活性成分的合成与积累，揭示中药材“道地性”的成因。