碱湖是一类强碱性的极端环境水体，主要分布在包括我国西北和东北、西伯利亚、东非大裂谷等全球各个大洲的干旱和半干旱地区，在矿产资源开发与生物资源产业应用等方面具有重要经济价值。在这种高盐度和高pH的极端环境下，湖泊生态系统仍旧生机勃勃，其中富含大量不同类型的环境微生物。这些微生物如何在基因组水平上适应极端碱性环境？从淡水环境到碱性环境，微生物如何调节自身功能性状组成适应pH变化？全球不同地区碱湖微生物分布格局如何，洲际尺度上碱湖微生物在组成、基因组和功能水平上的相似性如何，演化特征有何关联？

    为回答上述科学问题，2020年初，中国科学院南京地理与湖泊研究所王建军研究员团队远赴东非开展湖泊微生物采样，这些湖泊的pH值跨度为7.2–10.1。研究团队从微生物环境适应机制、功能性状和全球碱湖微生物分布格局和演化历史等方面开展研究并取得了系列成果，为深入理解极端生境下微生物适应机制、环境响应和演化过程提供新方法和范例。

    酸性氨基酸驱动湖泊微生物碱性偏好

    利用宏基因组学和群落生态学方法，在群落、物种和基因等多尺度上开展了微生物酸性氨基酸组成与pH偏好性关联分析（图1）。研究发现，湖泊微生物群落多样性随pH增大而降低，且微生物呈现不同pH偏好性。群落水平上，碱湖微生物群落相比中性湖泊具有更高比例的酸性氨基酸。物种水平上，微生物酸性氨基酸比例与其pH偏好性呈正相关。嗜碱或耐碱微生物基因组中富集的不同类型功能基因也呈现更高比例的酸性氨基酸。高pH值相关的选择压力驱动了微生物群落编码更多的酸性氨基酸。

图1. 微生物酸性氨基酸含量与湖泊pH值关系及其适应机制示意图

    量化微生物适应碱性环境能力的新方法

    利用微生物基因组序列构建其功能性状集合，结合“性状与环境”关系特征（图2），筛选出和pH显著关联的关键功能性状，揭示了湖泊微生物主要通过pH稳态调节、渗透物积累和合成等途径适应高盐高碱性环境的多重策略。综合考虑微生物关键性状的数量及其对环境适应的贡献度大小，开发了一个量化微生物个体适应特定环境能力的指数——iEA，该指数能够准确反映微生物的环境偏好性（图2）。新方法建立了微生物功能性状与环境适应的定量关联，为预测微生物群落对气候变化（如盐碱化、变暖）响应提供了新工具。

图2.基于“性状-环境”的微生物环境适应能力量化分析框架，封面图（非洲坦桑尼亚碱湖）

    全球碱湖微生物分布格局及演化历史

    团队对比分析了东非、亚洲、北美洲等多个大洲的碱湖，解释了全球尺度上的微生物多样性、地理分布格局和演化历史（图3）。研究发现，全球碱湖均呈现较高的微生物多样性，证实了基于经典微生物分离方法的发现及碱湖丰富的微生物资源。微生物群落和功能组成的相似性随地理距离衰减，种内和种间基因组水平变异和地理距离紧密相关，暗示扩散限制在全球碱湖微生物群落构建和物种进化过程中发挥重要作用。模型分析结果表明，碱湖微生物的全球生物地理分布格局可能与微生物在演化历史上不同洲际之间不均衡转移速率相关。

图3. 全球碱湖微生物群落和功能组成的差异和关联

    上述研究成果近期发表于环境与生态学领域期刊Water Research、Ecology（封面）、Frontiers in Microbiology上。

    【文章信息】：

    Ren,M.,Hu,A.,Zhang,L.,Yao,X.,Zhao,Z.,Kimirei,I. A.,Wang,J.* (2024). Acidic proteomes are linked to microbial alkaline preference in African lakes. Water Research,266,122393.

    Ren,M.,Hu,A.,Zhao,Z.,Yao,X.,Kimirei,I. A.,Zhang,L.,Wang,J.* (2025). Trait-environmental relationships reveal microbial strategies of environmental adaptation. Ecology,106(3),e70047.

    Ren,M.,Wang,J.* (2025). Biogeography of soda lake microbiome and uneven cross-continent transition rates. Frontiers in Microbiology,16,1614302.

    论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122393

    论文链接：https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecy.70047

    论文链接：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2025.1614302