它们曾是地球生命的奠基者，如今却成为水体中的“隐形炸弹”。蓝藻——这种古老的原核生物，既能通过光合作用支撑水生生态系统，又可能因过度增殖引发藻华，释放毒素威胁饮水和生态安全。近期，环境与能源学院生态环境与资源效率研究实验室倪晋仁教授课题组发表的研究成果，通过解析全球最大磷限制调水系统中317个蓝藻基因组，揭开了蓝藻毒性背后的基因密码，并提出了一种新颖的预警思路：从基因组大小入手，早期预判蓝藻风险。

现有的藻华预警系统大多属于“事后监测”：依赖叶绿素、藻蓝蛋白等指标，等到藻华发生了才发出警报；机器学习预测受限于地域数据，难以推广；分子检测则因引物特异性无法同时覆盖多种物种。更重要的是，这些方法都未能从机制上解释，为何在贫磷的水体中，某些蓝藻仍能占据优势甚至产生毒素。

磷是蓝藻生长中最关键的“短板元素”。以往研究表明，磷限制会改变藻种组成，甚至促使某些非固氮蓝藻增多并产生毒素。蓝藻也发展出诸如高亲和磷酸转运系统等适应性机制，甚至通过“精简基因组”来提高生存效率。但基因组要小到什么程度才意味着更安全？背后的代谢机制又如何？

研究团队从南水北调中线工程——这个磷含量长期低于0.02 mg/L的大型调水系统中获取了宏基因组数据，重构出317个蓝藻基因组，发现了一个清晰的“基因大小-生态功能”分化规律：基因组小于3 Mbp（百万碱基对）的蓝藻为“精简型”：它们在贫磷环境中占优，擅长磷吸收、光能捕获和碳固定，几乎不产毒素，是系统中的“低风险工作者”；而基因组大于3 Mbp的属“复杂型”：它们携带毒素基因和浮力调控基因，在一定条件下可能引发藻华并释放微囊藻毒素等有害物质，属于“高风险群体”。不仅如此，这些小基因组蓝藻还呈现明显的季节性更替：春季以聚球藻为主，秋季则转变为蓝菌属占优，反映出在温度与光照驱动下的生态位分化。

基于这一发现，研究提出以“~3 Mbp”为界，建立基因组大小为导向的蓝藻风险预警指标。一旦监测到大于3 Mbp的蓝藻基因组比例上升，系统即可提前启动防控措施，实现从“藻华发生了再处理”到“防藻华于未然”的重要转变。这项研究不仅揭示了蓝藻在逆境中的基因组进化策略，推动了藻类风险监测从反应性向预防性的转变，也为全球人工淡水网络的可持续藻类控制提供了可借鉴的范式。

该研究得到了国家自然科学基金联合基金重点支持项目（No. U2240205）和科技部重点专项项目（2021YFC3200900）的资助。研究成果以“Genomic blueprint enables early intervention in cyanobacterial risk management”为题，于近日发表于Science Bulletin。倪晋仁教授为论文通讯作者，北京大学深圳研究生院博士后王佳文为第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.11.005