宜居環(huán)境演化和生命信號(hào)探尋是火星探測(cè)的核心科學(xué)目標(biāo)。通過實(shí)施原位探測(cè)和采樣返回任務(wù)，可以直接獲取火星原位科學(xué)數(shù)據(jù)和火星表面樣品，尋找火星潛在生命信號(hào)。與此同時(shí)，地球上的一些極端環(huán)境因與火星條件高度相似（如極端干旱、高輻射、高鹽堿等）被稱為類火星環(huán)境，系統(tǒng)研究這些類火星極端環(huán)境中的微生物及其生存策略有助于評(píng)估火星過去或現(xiàn)今存在生命的可能性、遴選火星生命信號(hào)探測(cè)的優(yōu)先區(qū)域、篩選生命探測(cè)的信號(hào)指標(biāo)、優(yōu)化生命信號(hào)探測(cè)的方法和策略（圖1）。
圖1 類比火星不同地質(zhì)歷史時(shí)期的地球典型類火星環(huán)境和火星的潛在宜居區(qū)域（劉立和林巍, 2025，第四紀(jì)研究）
柴達(dá)木盆地位于我國青藏高原北部，是全球海拔最高、最干旱的荒漠之一。惡劣的環(huán)境條件（極端干旱、鹽堿化土壤、高紫外輻射、寒冷等）以及廣泛分布的類火星地貌（沖溝、沖積扇、泥石流、雅丹、沙丘等）和蒸發(fā)鹽礦物（硫酸鹽、氯化物等），使得柴達(dá)木盆地成為一處典型且獨(dú)特的類火星地區(qū)。微生物是柴達(dá)木盆地的主要生物類群，構(gòu)建柴達(dá)木盆地微生物基因組資源數(shù)據(jù)庫，將為研究類火星極端環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、挖掘耐極端環(huán)境菌株/基因資源、探究生命在極端環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制等提供數(shù)據(jù)支持，也為我國火星原位探測(cè)和采樣返回任務(wù)中的生命信號(hào)識(shí)別表征和污染防控等提供科學(xué)依據(jù)。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉立博士后與合作導(dǎo)師林巍研究員等，系統(tǒng)采集了柴達(dá)木盆地代表性類火星地貌和不同深度的土壤樣品，利用宏基因組學(xué)技術(shù)，成功獲得了1773條細(xì)菌和古菌基因組以及2060條病毒基因組，并構(gòu)建了柴達(dá)木盆地類火星環(huán)境微生物基因組資源數(shù)據(jù)庫（圖2）。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤理化性質(zhì)、礦物組成等地質(zhì)環(huán)境信息，系統(tǒng)研究了柴達(dá)木盆地不同地貌類型和土壤深度中微生物的多樣性、分布特征、生存策略及其相互作用關(guān)系。
圖2 柴達(dá)木盆地微生物基因組數(shù)據(jù)庫。a.柴達(dá)木盆地采樣地點(diǎn)類型與位置；b.1773條細(xì)菌和古菌基因組質(zhì)量情況；c.2060條病毒基因組質(zhì)量情況
柴達(dá)木盆地豐度最高的細(xì)菌、古菌和病毒類群分別屬于放線菌門（Actinobacteriota）、嗜鹽古菌門（Halobacteriota）和尾噬菌體門（Uroviricota）（圖3a）。超過94%的基因組屬于先前未被分類鑒定的新物種，表明柴達(dá)木盆地類火星極端環(huán)境中存在著大量未知的微生物“暗物質(zhì)”。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤水分、pH值和礦物組成等顯著影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和空間分布（圖3b）。其中，柴達(dá)木土壤中病毒群落以裂解型病毒為主，且具有跨宿主侵染特征（即一種病毒可侵染多種宿主）（圖4a、圖4b）。在生物量稀少的柴達(dá)木盆地，這種跨宿主侵染特征使病毒在類火星極端環(huán)境中具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。病毒宿主預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柴達(dá)木盆地的病毒主要侵染優(yōu)勢(shì)微生物類群（圖4a），通過“Kill-The-Winner”機(jī)制（即病毒優(yōu)先裂解環(huán)境中的高豐度宿主）來調(diào)控微生物多樣性和群落穩(wěn)定性。
圖3 柴達(dá)木盆地原核生物（細(xì)菌和古菌）和病毒群落。a.原核生物和病毒群落組成；b.原核生物和病毒群落結(jié)構(gòu)和功能與各環(huán)境因子的相關(guān)性分析
超過38%的細(xì)菌和古菌基因組具有CO氧化的關(guān)鍵基因coxSML，10%以上具有催化H2氧化的[NiFe]-/[FeFe]-氫化酶基因，表明在營養(yǎng)匱乏的柴達(dá)木盆地土壤中，細(xì)菌和古菌可以通過利用大氣中的痕量氣體獲取能量。有超過一半的細(xì)菌和古菌被鑒定為病毒的宿主，且具有復(fù)雜的代謝潛力，表明病毒可能通過侵染這些宿主種群，從而參與到柴達(dá)木盆地的生物地球化學(xué)循環(huán)中。此外，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出超過32000個(gè)潛在的病毒輔助代謝基因（AMGs），涵蓋碳循環(huán)、光合作用和磷循環(huán)等關(guān)鍵代謝通路，揭示出病毒可能通過AMGs調(diào)控宿主代謝并驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)過程（圖4c）。還發(fā)現(xiàn)了涉及合成抗生素、色素和生物堿的AMGs，病毒可能通過這些AMGs增強(qiáng)宿主在類火星極端環(huán)境中的生存能力，通過提高宿主的環(huán)境適應(yīng)性從而增強(qiáng)病毒自身的存活概率。
圖4 病毒宿主預(yù)測(cè)和輔助代謝基因鑒定。a.病毒-宿主關(guān)系預(yù)測(cè)結(jié)果；b.廣宿主病毒篩選；c.涉及生物地球化學(xué)循環(huán)通路的病毒輔助代謝基因鑒定
該研究構(gòu)建了柴達(dá)木盆地微生物的基因組資源數(shù)據(jù)庫，揭示了類火星極端環(huán)境中微生物的多樣性、地理分布與功能潛力，發(fā)現(xiàn)病毒在提升宿主的極端環(huán)境適應(yīng)性和驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)循環(huán)中具有重要作用，為類火星環(huán)境的天體生物學(xué)研究提供了數(shù)據(jù)支撐。
研究成果分別發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Scientific Data和Environmental Microbiology。研究受國家自然科學(xué)基金資助。
1. 劉立，王喆，張文斯，林巍*. Recovery of 1,773 microbial genomes and 2,060 viral genomes from the Mars-analog Qaidam Basin desert[J].?Scientific Data. 2025, 12: 1795. DOI:?10.1038/s41597-025-06085-3.
2. 劉立，王喆，張文斯，周之超，林巍*. The hidden viral network: How viruses shape microbial adaptability and biogeochemical cycling in the polyextreme Mars-analog Qaidam Basin desert[J].?Environmental Microbiology. 2025, 27: e70202. DOI:?10.1111/1462-2920.70202.
劉立（博士后）