倒置荧光显微镜下的藻细胞图像。

叶彤在观察藻的生长状态。兰州大学供图

■本报记者 叶满山

在全球气候变化背景下，土壤盐渍化加剧，烈日炙烤下沙漠土壤含盐量最高可达普通海水的1.3倍，成为生命难以立足的极端环境。但沙漠的“皮肤”——生物土壤结皮却能在这样的严酷环境中顽强生长，其中的优势类群荒漠蓝藻，更是我国西北生态修复的“主力军”，让荒漠化土地重焕生机。

荒漠蓝藻究竟藏着怎样的耐盐“生存秘籍”？近日，兰州大学与安徽医科大学联合团队首次从基因组层面揭开了这一谜底。相关论文发表于《细胞报告》。

被低估的“沙漠特种兵”

让论文第一作者、在兰州大学生态学院从事博士后研究的叶彤下定决心深入研究荒漠蓝藻耐盐机制的，是一次打破常规的实验。

一直以来，学术界将沙漠归为低盐生境，默认荒漠蓝藻为不耐盐类群，相关研究多聚焦于海洋、盐湖蓝藻这些“科班出身”的耐盐物种。但叶彤观察到，沙漠降水稀少、蒸发强烈，土壤盐分因无法淋溶而持续积累，实际盐浓度并不低。此次研究的核心样本，就是从腾格里沙漠中采集的一株优势蓝藻，它是沙漠中名副其实的“拓荒先锋”。

“它属于念珠藻属，是最先在土壤表面定殖形成结皮的类群之一，既能固碳、固氮，还耐盐，哪怕在超低温、极度干旱、强辐射等极端环境下暴露数小时，只要恢复正常条件，它依然‘活蹦乱跳’。”叶彤介绍道。

叶彤先在0.1~0.3摩尔/升盐浓度条件下做实验，发现蓝藻只受了点皮外伤。“就像我踹了它一脚，它回头瞥了我一眼说：‘就这？’”她笑着说。随后，她将盐浓度提升至远超海水的0.75摩尔/升，沉寂数日后，蓝藻竟奇迹般复活。

这一发现彻底颠覆了研究团队的认知，也让他们下定了深入探究其耐盐机制的决心。“我们就是要看看，这个被大部分文献低估的‘沙漠特种兵’，耐盐本领到底和海洋蓝藻有什么不一样。”叶彤说。

独门绝技+通用本领

研究团队发现，这株荒漠蓝藻之所以能在高盐沙漠中站稳脚跟，是因为它既有一套耐盐的“独门绝技”，又有与其他生境耐盐生物共享的“通用本领”。

这套独门绝技堪称专为沙漠高盐环境量身打造的“三板斧”，每一招都精准破解了极端环境的生存难题。

第一板斧，是给光合系统装上“备用轮胎”。光合作用是蓝藻储存能量的关键，而高盐环境会严重破坏光合系统Ⅱ中的D1蛋白。研究发现，这株蓝藻中负责生产D1蛋白的psbA基因发生显著扩张，且5个拷贝的关键位点发生了“H359N”突变。

“基因突变本身是随机的，但进化会筛选并保留有利突变，这个突变能让D1蛋白的‘维修’效率大大提高。”叶彤解释说，这就像为汽车准备了多个备胎，一旦爆胎就能立刻更换，确保光合系统在高盐环境下持续运转。这是蓝藻能在极端环境中维持能量供应的关键。

第二板斧，是构建“环境感知雷达网”。沙漠环境瞬息万变，白天盐分飙升、夜晚相对温和，蓝藻需要敏锐感知环境变化并及时应对。研究发现，该蓝藻大幅扩展了rcp1基因家族——感知黎明光信号的关键基因，且扩张程度远超其他蓝藻。“在盐胁迫下，这些‘雷达’基因会被大量激活，协助蓝藻精准感知昼夜交替带来的盐分波动，第一时间启动应对机制，相当于给蓝藻装了一套灵敏的环境监测系统。” 叶彤说，这是荒漠蓝藻独有的特征。

第三板斧，是多通路协同作战的“抗逆组合拳”。盐胁迫初期，蓝藻的光合作用和能量代谢会被抑制，活性氧大量积累，此时硫代谢通路会率先被激活，一方面提供谷胱甘肽清除活性氧、修复DNA，另一方面支持铁硫簇合成。铁硫簇再与其他物质协同作用，增强光合系统Ⅰ的循环电子流，为光合系统Ⅱ的修复供能。

“简单来说，硫代谢负责‘清障’，电子传递链负责‘供能’，两者配合让受损的光合系统快速恢复。”叶彤介绍，研究还发现γ-谷氨酰半胱氨酸、组氨酸等13种氨基酸在盐胁迫下会显著积累，形成庞大的“抗逆代谢库”。它们相互调控、团队作战，进一步提升蓝藻的耐盐能力。

除了独门绝技，荒漠蓝藻还与其他生境的耐盐蓝藻共享一套“通用工具箱”。研究团队从40株蓝藻中筛选出17名耐盐“选手”，通过进化分析锁定16个受到强烈正向选择的基因。这些基因涉及DNA合成、抗氧化、光合作用、氨基酸代谢等多个功能。其中ahpC、uspA、purH、carB这4个基因在转录组分析中被证实受盐胁迫诱导表达，成为重点研究对象。

为验证其功能，团队选择大肠杆菌开展跨物种实验。“大肠杆菌和蓝藻都是原核生物，底层机制相通，能更准确验证基因本身的耐盐功能。”叶彤说。实验结果令人振奋——在大肠杆菌中敲除这4个基因的同源物后，菌株在1摩尔/升盐胁迫下生长严重受阻，其中uspA敲除株受影响最显著；回补这些基因后，菌株生长能力恢复，过表达株的耐盐能力甚至远超野生型。

“这说明4个基因的功能在不同物种间是保守的，都是耐盐的关键基因。”叶彤表示，研究首次揭示了它们在原核生物耐盐中的核心作用，为后续基因工程改造提供了全新靶点。

其中，uspA基因的功能十分广泛，不仅能抗盐，还能应对紫外辐射、营养匮乏等多种胁迫。团队推测它可能通过调控蛋白质磷酸化促进甜菜碱合成，而甜菜碱正是渗透压调节的 “高手”。

让小小生命绽放更绚烂光彩

该研究首次从基因组层面揭开了荒漠蓝藻的耐盐之谜，为盐碱地治理、生态修复等领域提供了全新思路。叶彤表示，研究的终极目标是让基础研究成果走出实验室，真正应用到实际的生态修复和生产生活中。

在荒漠修复领域，人工蓝藻结皮技术早已在我国西北多地落地见效。“藻类学家刘永定老先生1999年就建立了系统的荒漠蓝藻治沙技术流程。”叶彤介绍道，“我们团队与中国科学院西北生态环境资源研究院合作，在腾格里、库布齐等沙漠推广应用，20多年来已染绿近6万亩地，库布齐沙漠达拉特旗项目区的林草覆盖率更是从不足15%提升至80%以上。”

研究团队计划通过基因工程手段，将此次发现的耐盐优势基因在治沙蓝藻中过表达，培育更“耐造”的蓝藻品种。“先在实验室验证效果，再到小型示范田实地检验，争取做出实用的新型治沙产品，让蓝藻在更高盐的盐碱化土地上发挥作用。”叶彤说。

carB基因编码的CPSⅡ基因是蓝藻和植物独有的，其耐盐功能的发现也为小麦、玉米等农作物的耐盐改良提供了新靶点。未来若能成功应用，有望在盐碱地种出粮食，盘活全球大量盐碱化农田，为保障粮食安全贡献力量。

“一株小小的蓝藻能在沙漠的高盐环境中努力存活，它的生存智慧值得我们不断探索。”叶彤表示，团队还计划通过短视频、科普文章等形式让更多人了解荒漠蓝藻的价值，让这一“冷门”研究获得更多人的关注和支持。随着研究的不断深入，这些藏在沙漠中的“小小生命”，必将在盐碱地治理、生态修复的道路上绽放出更绚烂的光彩。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2026.116988