微生物是地球上最古老、分布最广的生物体。它们无处不在，占据着地球生物圈的每一个角落。上至数万米高空、下至上万米深渊、以及各种条件恶劣的生命禁区，它们都普遍存在，且丰度不低。它们个体极小，丰度巨大，随风而动，几乎不存在扩散限制。同时，微生物物种概念不明，99%物种尚未分离培养，物种--性状复杂关系很难建立，系统解析其驱动的碳、氮、硫、磷元素生物地球化学循环极其困难。因此，以动植物为主要研究对象所建立的宏观生态学理论体系很难普遍适用于复杂微生物群落。本研究团队聚焦海洋生态系统，通过生态学原位实验、宏基因组测序和大数据分析，探索地球生态系统中微生物“暗物质”的内在生态学规律，旨在补充完善现有微生物生态学理论，并建立新的微生物生态学理论体系。

微生物群落多样性格局形成与维持机制

早在1934年，Bass Becking就提出了环境微生物领域重要假说“Everything is everywhere, but, the environment selects.”。至此，后续几十年的微生物生态学研究都是围绕着这一假说展开的。研究结果亦显示微生物群落结构和多样性受到pH、温度、湿度、盐度等多种环境因素影响，且可通过这些环境因子进行预测（Niche Theory）。1997年，生态学家Stephen Hubbell提出了中性理论（Neutral Theory），以解释热带雨林有限的生态位无法满足大量物种进行生态位分化的需求以及不同物种高度重叠的生态位与物种共存之间的矛盾。中性理论假设群落中所有个体在生态学上都是等同的，具有相同的出生率、死亡率、迁移率以及新物种形成的概率。这种模式在解释热带雨林物种多样性和相对丰度分布时获得了巨大成功，弥补了生态位理论的不足。与热带雨林生态系统类似，微生物群落同样具备极高的物种多样性与相对丰度，其多样性程度和不同物种间生态位重叠程度甚至远远高于热带雨林生态系统。因此， 除确定性因素以外，随机过程也同时影响着微生物群落构建过程 。目前研究表明，确定性因素（生态位理论）和随机过程（中性理论）同时调控微生物群落多样性格局，而问题关键在于两者谁占主导地位。然而，中性理论中个体对等假设在大多数生态系统中是不成立的，该假设同时也体现了中性理论的脆弱性。目前尚缺乏一种整合生态位理论和中性理论关键要素的模型来解释群落多样性格局。课题组将基于现有理论基础深入研究复杂微生物群落多样性格局形成及维持机制，以期整合生态位理论和中性理论，并提出新的微生物群落生态学理论体系。

微生物群落驱动元素生物地球化学循环的生态学机制

微生物群落在整个地球生态系统中起着极其重要的作用，驱动碳、氮、硫、磷等生源要素的生物地球化学循环，其群落多样性、物种组成以及所包含功能基因情况在很大程度上决定了生态系统基本功能。微生物群落所驱动的元素生物地球化学循环对于生命存在、生态系统功能稳定性的维持、物质循环和能量流动密切相关。因此，认识微生物驱动的氮硫循环机制对于完善生命与地球环境相互作用与协同演化理论具有指导意义。近年来，高通量测序和以GeoChip 为代表的功能基因芯片技术在环境微生物与微生物生态学领域的广泛应用极大地提高了微生物群落研究的深度与水平。水圈等不同生境中微生物群落驱动元素循环的关键基因多样性情况及其与环境之间的关系被大量研究。功能基因扩增组测序表明，自然环境中很多微生物物种拥有此类功能基因，行使相关的生态系统功能，呈现了微生物介导元素循环功能基因的高度冗余性。尽管这些研究对氮硫循环框架进行了新的补充，自然生态系统中复杂微生物群落介导元素循环的功能基因和其物种多样性格局及其生态学机制仍知之甚少。课题组将深度解析微生物群落驱动碳、氮、硫、磷等关键生源要素循环的过程机制，开发生物信息学数据库/集，揭示其内在的生态学理论机制。