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刘秀花教授团队在Nature子刊《地球与环境通讯》（Communications Earth & Environment）发表题为“Ultimate soil nitrogen microbial function evolution pathway fixation–comammox–nitrate reduction in long–term arid” 的最新研究成果。该成果首次证明：在长期干旱压力下，土壤微生物群落为适应氮素限制演化出一条独特的终极功能路径：固氮-完全氨氧化-硝酸盐还原循环。长安大学黄土科学国家重点实验室为论文第一完成单位，刘秀花教授与陕西省林科院马延东副研究员为共同通讯作者。合作者包括中科院地环所韩永明研究员、澳大利亚纽卡斯尔大学Maggie Tang副教授等。
该研究以陕西洛川地区距今约50万年的黄土-古土壤序列为研究对象，通过整合气候代用指标（如碳酸钙、磁化率、Rb/Sr比值）、土壤养分指标（碳、氮、磷及δ15N）以及微生物群落指标（细菌、真菌多样性、群落结构与功能）等多维度数据，系统阐述了微生物群落如何应对百年乃至万年尺度的气候变化，其遗留的“生态记忆”如何影响当下的生态系统功能，这个被“时间尺度”隐藏的关键科学问题。获得的主要突破性认知如下：
1. 延伸了传统微生物演化驱动因素：氮限制主要驱动微生物百年乃至万年尺度演化
整合古气候代用指标（如碳酸钙、磁化率、Rb/Sr比值）与微生物群落及功能基因分析，深入探讨了长期干湿气候变化如何塑造土壤微生物的群落结构、功能及其遗留效应。研究发现，与目前普遍认为有机碳主导微生物群落结构的假设不同，在千年-万年尺度，是土壤全氮含量驱动微生物结构和功能的演化格局，而非有机碳。
2. 提出了微生物功能演化终极路径：γ-变形菌主导长期干旱下氮循环“开源”与“短路”
γ-变形菌在代表干旱气候的黄土层中相对丰度明显更高，其携带的共生固氮基因能够在极度缺氮的环境中“开源”，与完全氨氧化细菌协同，形成了一条高效节能的氮循环“短路”路径：即将大气氮固定后，通过微生物完全氨氧化（氨直接氧化为硝酸盐）和硝酸盐还原过程进行转化与利用。
3. 阐明了微生物应对干旱生存智慧：跨越万年的“生态记忆”与进化策略
微生物特定功能类群主导的“短路”氮循环模式抑制了复杂的微生物群落发育，但维持了一条核心的结构运行通道。这种长期的进化策略形成了跨越万年时间尺度的稳定性功能记忆或遗留效应，意味着微生物群落演化在极端干旱环境下不是趋向复杂化，而是通过功能“专精化”和路径“短路化”，以最节能的方式维持氮循环这一生命核心过程的运转，从而稳定整个系统。
审稿人评论，认为这项研究提出的γ-变形菌纲介导的氮循环“短路”机制，凸显了特定微生物类群的功能性状在稳定干旱土壤生态系统中的核心驱动作用。这不仅为理解气候变化下的生态系统响应、土壤记忆形成以及未来生物地球化学循环演变提供了关键见解，而且为了解未来干旱加剧情景下土壤氮循环的可能演变方向及生态系统的反馈机制提供了重要的科学价值。
文章链接：//www.nature.com/articles/s43247-025-03085-4
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审核：荆琳
