本方向依托喀喇昆仑-帕米尔高原高寒、干旱、荒漠，冰川聚集特殊的自然环境，采用经典微生物纯培养分离技术和基于基因测序的免培养分析方法，系统收集、整理和建立区域特殊环境微生物菌种基因库，揭示不同生态环境中微生物的时空分布特征，比较分析不同生态环境中微生物种群结构与多样性特征，在分子水平上揭示菌种的基因类型和遗传特性，深入探索微生物与环境互作机制、不同微生物种群对区域生态平衡的贡献，并在此基础上深入探讨极端环境下生命的起源、遗传进化关系，进行系统进化研究。采用高通量酶分子筛选技术对基于纯培养分离技术获得的菌株及未培养元基因组中功能酶基因资源进行挖掘，筛选极端微生物细胞中的特殊酶基因，结合现代分子生物学研究和基因工程相关技术方法，构建高效表达工程菌，开拓酶制剂在工业、农业、环保、健康、能源等领域的应用价值。采用分子定向进化等技术对酶制剂进行分子改造，探索酶分子结构与功能相互关系，获得更高效率、更好稳定性和使用性的新型酶分子；采用高通量测序技术，对高原特殊生境土壤微生物在气候变化背景下的反馈和响应进行研究；探究不同生态系统微生物组成、多样性和空间分布格局；研究高寒冻土退化过程中土壤碳循环的微生物机理；对气候变化背景下高寒植被与土壤微生物的协同作用机理进行探索。