有色雪是南极生态系统中一种独特的自然现象，单一的雪藻藻华可以覆盖雪地面积高达上百平方公里，雪/冰藻华的大规模爆发机制尚不清楚，科学界愈加关注其对低温生态圈层带来的影响。研究显示夏季格陵兰岛5%-10%的冰盖融化可归因于冰盖表面藻类的大规模繁殖导致的冰面生物暗化，其影响远远大于污染物沉降的影响。有色雪生态系统主要由藻类和细菌等微生物的色素积累形成。这些微生物不仅赋予了雪地绚丽的色彩，还在全球碳、氮循环中扮演着重要角色。科学研究迫切需要深入了解优势雪藻的遗传组学特征，认知有色雪微生态系统的爆发机理、维持微生态系统稳定性的作用机理，拓展认知其与雪藻覆盖表面的生物反照率的关联，有助于评估雪藻爆发对快速变化的南极雪/冰生态圈的影响程度。

      本系列研究围绕两个核心科学问题展开：第一，有色雪中微生物群落如何组织、互作，并参与碳、氮、磷、硫等关键元素循环？第二，有色雪生态系统中优势雪藻及大量未培养微生物具有什么样的基因组特征和代谢潜力，它们如何支撑微生物在低温、强辐射和营养限制环境中的适应与功能耦合？针对上述问题，研究团队以南极菲尔德斯半岛有色雪及代表性雪藻为研究对象，结合宏基因组测序、宏基因组组装基因组（MAGs）重建和染色体水平基因组解析，从“群落结构—功能通路—基因组资源”三个层次系统揭示了南极有色雪生态系统的生命组成、代谢潜力与暗过程。

      1.宏基因组分析揭示的南极有色雪碳/氮/硫/磷循环功能潜力

      宏基因组测序的研究对南极菲尔德斯半岛的绿雪和红雪样本进行了全面分析，比较了红雪与绿雪在多域水平（细菌、真核生物和古菌）上的组成和多样性；结果显示与绿雪相比，红雪微生物群落共现网络表现出更高的复杂性和稳定性。并将关键微生物类群与生物地球化学循环的功能基因直接联系起来，为南极彩色雪的生物学特性和功能潜力提供了新见解。在绿雪和红雪中均鉴定出与碳、氮、磷、硫循环通路相关的标记基因。有氧呼吸和磷酸盐调控相关基因在红雪中显著富集，而CO氧化、发酵和反硝化作用在绿雪中显著富集。有氧呼吸相关基因在红雪中的显著富集可能反映了微生物对贫营养环境的适应：通过高效的能量产生途径，微生物从有限的有机碳中提取最大能量以维持生存。绿雪通常出现在有机碳相对富集的区域，这种环境可能支持发酵相关基因的高表达，使异养微生物能够通过发酵快速降解溶解有机物。基于现有宏基因组数据，硝化作用相关基因仅在红雪中检测到。这在气候变暖背景下具有生态学意义：红雪斑块的扩张可能增加硝酸盐径流输出，从而影响南极沿海水域的氮营养水平。此外，与通路相关的关键微生物也有所不同，Stutzerimonas被认为是高效的反硝化细菌，是红雪反硝化中最丰富的属；Janthinobacterium是研究极端低温、干燥和高辐射条件下反硝化微生物响应机制的关键代表，在绿雪中丰富。这些结果为红雪与绿雪之间潜在的微生物和功能差异提供了宏基因组学证据，并为全球变化下南极生态功能的更全面预测提供了依据。

      该研究成果发表在《BMC Microbiology》(微生物学期刊Q1)，第一作者为极地中心和中科院水生所联培博士研究生艾晓寒，通讯作者为中科院水生所毕永红研究员和极地中心罗玮研究员，极地中心为第一作者和共同通讯作者单位。

图1 南极菲尔德斯半岛有色雪的微生物群落多样性及其功能潜力 （Ai et al., 2026.BMC Microbiology）

      2.解构有色雪代表物种-雪藻Chloromonas typhlos全基因组

      Chloromonas typhlos 是一种广泛分布于极地与高山积雪生境中的雪藻，其大规模繁殖会降低积雪表面的反照率（snow albedo），从而加速积雪融化。为了阐明C. typhlos适应雪地生境的遗传机制，研究团队综合利用PacBio、Illumina和Hi-C测序技术，组装获得C. typhlos高质量核基因组与细胞器基因组。C. typhlos核基因组大小为 200.86 Mb，由31条染色体水平的super-scaffolds组成，N50达到7.23 Mb。本研究基于Iso-Seq全长转录组与RNA-Seq测序数据，预测获得16,133个蛋白编码基因，其中82%的基因获得了功能注释，31%的基因得到蛋白质组肽段数据支持。C. typhlos基因的内含子平均长度达到854 bp，显著高于嗜温的莱茵衣藻（273 bp）。C. typhlos叶绿体大小502.4 kb, 是莱茵衣藻叶绿体长度的2倍以上，共编码94个叶绿体基因，其中16个叶绿体基因具有内含子。本研究为雪藻及衣藻目Chloromonas属提供了一套高质量的组学资源，有助于进一步阐明雪藻适应极端环境的分子机制。

      该论文第一作者为中科院水生所助理研究员刘盖，由中科院水生所黄开耀研究员和极地中心罗玮研究员团队共同发表在《Scientific Data》（JCR综合性期刊分区Q1）上。

图2 Chloromonas typhlos 细胞核基因组与叶绿体基因组组装与注释

      3.基因组学揭示南极有色雪中大量此前未被探索的“微生物暗物质”

      通过基因组学数据挖掘，成功揭示了南极有色雪生态系统中“微生物暗物质”的系统发育与代谢机制。该研究通过对南极菲尔德斯半岛绿色雪和红色雪样本的宏基因组分析，成功重建了223个宏基因组组装基因组（MAGs），其中91%的MAGs为此前未被探索的“微生物暗物质”，揭示了南极雪地中蕴藏的丰富基因资源及其在极端环境下的独特代谢潜力，为极地基因资源的开发与应用提供了重要的科学依据。

      研究团队通过深度挖掘基因组数据，发现了大量与碳水化合物代谢和氮循环相关的关键基因，尤其是编码碳水化合物活性酶（CAZymes）的基因。这些基因资源展示了微生物在极端环境下高效降解复杂有机物（如藻类多糖、纤维素和果胶）的能力。此外，56%的MAGs含有与无机氮循环，尤其硝酸盐还原和反硝化相关的基因，揭示了微生物在有色雪中利用硝酸盐作为电子受体的独特代谢机制。

      该研究成果由中科院地理与湖泊研究所任泽研究员和极地中心罗玮研究员团队共同发表在国际微生物生态学会期刊《ISME Communications》（生态学和微生物学期刊 Q1）上, 极地中心为共同通讯作者单位。

图3 南极有色雪中未被充分认识的微生物暗物质及其碳水化合物代谢、氮循环潜力

      本项研究进展受到国家自然科学基金委员会重大研究计划 -“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重点项目“雪藻驱动极地碳循环及适应低温和高辐射的机制”(No.91851201)支持。本研究受到极地基因库支持。

参考文献：

1）AI X., REN Z., LIU C. ZHANG CM, LI HR, DING HT, YU Y, LUO W*. BI YH*., 2026.Unveiling microbial communities and biogeochemical cycles in Antarctic colored snow. BMC Microbiol. https://doi.org/10.1186/ s12866-026-05306-y

2) LIU G, LUO W, YAO S, YANG MK,YUAN XY, PENG Z, DENG X, WAN CH, ZHAO CT, ZHANG CC, MIAO W, LIN SJ, HUANG KY* 2026. A chromosome-level assembly of the alpine snow alga Chloromonas typhlos. Scientific Data. https://doi.org/10.1038/s41597-026-07557-w

3) REN Z*, LUO W*,LI HR, DING HT, ZHANG YL., 2025. Decrypting the phylogeny and metabolism of microbial dark matter in green and red Antarctic Snow. ISME Communications.5(1).ycaf003.

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）