生物多样性形成和维持机制是生态学核心科学问题之一。南极、北极和青藏高原统称为极地，代表着地球上最极端的环境，如低温、强紫外线等。极地地区极端环境极大限制了高等生物（如植物）的生长，但孕育了大量且独特的微生物，是研究微生物适应极端环境、生物多样性形成与维持机制的天然实验室。相较与全球非极地地区，极地地区土壤环境具有哪些特有和共有的微生物类群，其多样性特征及驱动机制等基础科学问题尚未明晰，阻碍了我们对全球生物多样性的深入理解及其对气候变化响应的预测。
为此，中科院青藏高原研究所孔维栋研究员等联合研究国际南北极的知名科研团队，采用数据共享与样品采集等多方法，收集了南极、北极、青藏高原以及全球其他地区的1114个土壤微生物数据（图1)，系统对比研究了极地和非极地区土壤微生物的多样性、群落结构及其驱动因子。
研究结果表明，极地地区土壤多样性和遗传多样性均低于全球非极地土壤，顺序为：南极<北极<青藏高原<非极地地区（图1），说明极端环境显著抑制微生物多样性；极地地区土壤微生物多样性随纬度升高呈线性增加（北极）或降低（南极和青藏高原），但非极地微生物多样性呈鞍形，其最大值出现在南北纬40度，表明极地地区环境筛选作用远大于非极地。
研究人员还发现，极地地区土壤微生物多样性主要受温度驱动，多样性随温度升高而增加；全球非极地土壤微生物主要受土壤pH值驱动，其最大值出现在中性（pH7）土壤中；极地地区的与非极地的土壤微生物群落结构显著差异，青藏高原与南极微生物群落相似，北极与非极地群落相似，且南极土壤微生物异质性最高（图2），表明南极微生物群落主要受微环境驱动；全球土壤中26000个不同微生物，其中极地地区特有种占21.8%，极地与非极地土壤共有种占21.2%。
本研究阐明了极地土壤微生物独特的群落结构、多样性分布特征及其驱动因子，极地地区土壤微生物群落结构及其多样性存在显著差异，强调了青藏高原具有丰富的土壤生存环境，如冰川末端、荒漠和草地，其微生物群落结构与南极、北极和非极地均有较高的相似性，突出了青藏高原土壤微生物的独特性。此外，与非极地相比，极地土壤微生物多样性对温度响应更敏感，说明极地土壤微生物多样性受全球变暖影响更大，其生态系统功能应得到更多关注。
该研究成果近日以“Polar soils exhibit distinct patterns in microbial diversity and dominant phylotypes”为题，发表于国际权威期刊《Soil Biology and Biochemistry》，我所生态系统功能与全球变化团队原副研究员计慕侃（现为兰州大学教授）为第一作者，孔维栋研究员为通讯作者，英国、南非、西班牙等国家的科研机构和中科院生态环境研究中心等参与了本项研究工作。本研究获得中国科学院A类先导专项、国家自然科学基金等项目联合资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108550
图1 本研究采集样品的位置(a)，极地和非极地区土壤微生物Shannon多样性(b)和遗传多样性(c)比较
ANT:南极;ARC:北极;TP:青藏高原;NP:非极地区
图2 极地和非极地区土壤微生物群落结构
极地和非极地区土壤优势微生物种系的相对丰度(a)，Venn图表示南极、北极、青藏高原和非极地区土壤共有和独有的微生物种的比例(按97%一致性序列归类)，所示数字表示百分比(b)。基于Bray-Curtis相异度对极地和非极地区土壤样品进行非度量多维尺度分析(NMDS) (c)。
