大型海藻龙须菜栽培生态系统微生物群落结构及功能研究

发布时间：2020-07-28 12:55

【摘要】：海洋微生物多样性高,分布广泛,既是初级生产者又是分解者,与浮游植物、浮游动物共同组成“微食物环”,在海洋生态系统物质运输与能量传递中起到承上启下作用,是参与海洋生物地球化学循环不可或缺的一环。因此,了解海洋微生物的多样性、群落结构及其功能显得尤为重要。已有的研究主要集中在自然海域微生物的群落特征,对海水养殖区尤其是大型海藻栽培区微生物群落特征所知甚少。为揭示大型海藻栽培区微生物群落结构及功能,本研究以广东省汕头市南澳岛龙须菜栽培区和相邻自然海区(对照区)为调查海域,通过采集不同季节、不同水深的样品,提取DNA并进行16S rRNA MiSeq高通量测序及功能基因芯片(GeoChip)杂交,比较了大型海藻龙须菜栽培区和对照区微生物群落差异,分析了龙须菜体表附生微生物组成及功能,旨在探讨龙须菜规模栽培对微生物群落的影响及其分子机理。所获结论对海洋环境保护和生物资源可持续利用具有重要科学意义。主要研究结果如下:1.于2014年4月,在南澳岛深澳湾龙须菜栽培区和对照区各设置3个采样点。每个采样点均采集表层水体、底层水体和沉积物,提取DNA并纯化后,进行16S rRNA基因Mi Seq测序。结果显示,18个样品共产生超过530,000条高质量序列,生成3454个OTU(Operational Taxonomic Units),分别属于28个门,74个纲,134个目,275个科,618个属。群落差异性检验(adonis)结果表明,龙须菜栽培区和对照区表层水体微生物群落结构差异不明显,但底层水体和沉积物中微生物群落结构差异显著(p0.05)。在表层和底层水体中,拟杆菌、α-变形菌和γ-变形菌均为优势菌,其相对丰度在栽培区和对照区中有差异。沉积物中优势菌为拟杆菌、γ-变形菌和ε-变形菌。在属水平上,栽培区表层水体中Aestuariibacter,Crocinitomix,Leucothrix(亮发菌属)及Tenacibaculum(黄杆菌属)的相对丰度高于对照区(p0.05)。底层水体中,栽培区Aestuariibacter,Bacillariophyta(硅藻门)和Croceitalea的相对丰度高于对照区(p0.05)。沉积物中,Arenibacter,Glaciecola,Halomonas(盐单胞菌属),Leisingera(亮发菌属),Maribacter,Peredibacter和Sulfitobacter(亚硫酸杆菌)在龙须菜栽培区的相对丰度高于对照区(p0.05)。大型海藻栽培区相对丰度高的微生物种属与利用海藻多糖的微生物密切相关,例如Arenibacter,Croceitalea,Glaciecola,Leucothrix和Maribacter。响应比分析表明,栽培区表层和底层水体中显著变化的OTU分别有89.9%和72%增加了相对丰度;栽培区沉积物中显著变化的OTU有84.5%降低了相对丰度。CCA结果显示,栽培区水体微生物群落结构变化与温度、DO、pH和Chl-a相关,而对照区水体微生物群落结构变化与盐度和总氮密切相关。Pearson相关性分析结果表明,表层及底层水体中显著变化的OTU与温度、pH和DO正相关(p0.01),与盐度和总氮负相关(p0.01)。沉积物中显著变化的OTU与总氮、总硫正相关(p0.01),与总碳负相关(p0.01)。对上述结果综合分析,提出了龙须菜栽培对微生物影响的概念模型:龙须菜栽培可以提高水中溶解氧,降低营养盐,从而改善水质,对微生物群落结构演变产生影响。该模型为研究大型海藻与微生物相互作用奠定了科学基础。2.为进一步研究龙须菜栽培对微生物群落结构的影响,于2014年12月至2015年7月在龙须菜栽培区和对照区进行每月一次的连续采样调查,对微生物样品进行16S rRNA基因MiSeq测序,探讨龙须菜生长对微生物群落动态变化的影响。利用adonis进行群落差异性分析,结果发现采样时间、龙须菜生物量变化及水深均对微生物群落结构有显著影响(p0.01);同样,龙须菜栽培、采样时间对不同水层微生物群落结构亦有显著影响(p0.05)。Adonis分析发现,龙须菜栽培区与对照区水体微生物群落结构在1-2月(p0.05)和4-5月(p0.01)均有显著差异,尤其是1米深和底层水体。NMDS分析结果表明,微生物群落在不同月份形成不同聚类,说明龙须菜栽培时间导致微生物群落结构差异。利用线性回归分析α-多样性与栽培时间的关系,发现栽培区表层水体微生物群落随着龙须菜栽培生物量的增加而降低,其余水层及对照区均无线性关系。而且,微生物群落α-多样性与龙须菜生物量呈负相关,说明龙须菜对栽培区表层水体微生物群落具有一定的选择作用,使得栽培区的微生物群落结构趋于简单。基于Bray-Curtis距离分析了龙须菜栽培区和对照区微生物群落结构随着龙须菜栽培时间的变化,结果表明,表层水体中两者微生物群落结构差异随栽培时间而增加(p0.05),1米深及底层水体无线性增加关系。线性回归分析结果表明,龙须菜栽培区和对照区表层、1米和底层水体微生物群落β-多样性均随着龙须菜生物量的增加而增加,且龙须菜栽培区表层和1米深水体微生物群落β-多样性增加得更快,说明龙须菜栽培加快了微生物群落的演替速率。CCA结果显示,龙须菜生长初期(1-3月)微生物群落结构与DO、NO_3~-、NO_2~-、TP正相关,龙须菜生物量较大时(4-5月)微生物群落结构与pH、TN正相关,说明龙须菜栽培改变了微生物群落结构与环境因子,龙须菜栽培对微生物群落结构及组成具有选择性,并驱动了微生物群落演替加快。3.为研究龙须菜规模栽培对微生物群落功能的影响,于2014年12月-2015年7月分别采集了龙须菜栽培区和对照区1米水体,利用功能基因芯片GeoChip5.0分析微生物群落功能随龙须菜栽培时间的变化情况。同时,于2015年5月采集了龙须菜栽培区和对照区表层、1米、水深一半、水深75%及底层水体,利用GeoChip 5.0分析龙须菜栽培对微生物群落功能的影响。结果显示,龙须菜栽培区和对照区的微生物群落功能随着龙须菜生物量的增加而出现显著差异,尤其是在龙须菜生物量较大的四月和五月。栽培区氮循环中nrfA,nir,nasA基因丰度增加,基因amoA丰度降低,提高了生态系统中NH_4~+的含量,有利于龙须菜的吸收利用。同时,龙须菜栽培改变了不同水层微生物群落功能特征,尤其是1米及底层水体。1米深水体微生物群落参与碳降解及有机污染物修复的大多数基因在龙须菜栽培区的信号强度低于对照区。环境因子在影响微生物群落功能上起到重要作用。功能基因的改变、龙须菜生物量、环境因子及其相互作用可能反映了大型海藻-微生物-环境之间的复杂关系,龙须菜栽培能够调控微生物群落功能,微生物群落功能的时空变化为揭示海水养殖对微生物群落功能影响提供了科学依据。4.为研究龙须菜体表附生微生物群落的结构及功能,于2015年4月采集南澳岛深澳湾新鲜龙须菜藻体,利用16S rRNA和ITS扩增子测序、功能基因芯片GeoChip 5.0等高通量技术对龙须菜体表和龙须菜周围水体微生物群落进行了比较。群落差异性检验表明两者在细菌群落结构、真菌群落结构及群落功能上均有显著差异(p0.05)。龙须菜体表微生物群落的多样性(Shannon指数和Simpson指数)均低于周围水体,但均匀度(Simpson均匀度)高于周围水体,说明龙须菜体表微生物群落结构更加单一。测序结果表明,与藻类相关、具有溶藻特性及降解海藻多糖能力的微生物类群在龙须菜体表远多于周围水体,如Croceitalea,Formosa,Granulosicoccus(颗粒状球菌属),Leucothrix,Polaribacter(极地杆菌属),Aureobasidium(短梗霉)。GeoChip 5.0分析表明,多数参与生物地球化学循环的基因在龙须菜体表微生物群落丰度较低,但是同化氮还原,硫/硫化物氧化及除草剂相关的基因在体表群落有较高丰度。此外,重金属解毒、植物激素、干旱胁迫、生物膜形成等与海藻表面生活相关的基因在体表微生物群落中表现出较高丰度,说明为适应海藻体表生活,龙须菜体表微生物群落保留或选择了特定种类和功能类群。综上所述,龙须菜规模栽培对微生物群落结构具有重要影响。栽培区水体、沉积物及龙须菜体表中有关海藻及可利用海藻多糖的微生物种属明显多于自然海区,龙须菜对微生物群落结构及功能具有较强的选择性。通过本研究,揭示了微生物在龙须菜栽培生态系统生物地球化学循环中的作用,论证了龙须菜体表附生微生物对龙须菜正常生长的重要性,提出了龙须菜规模栽培对微生物群落影响的概念模型,阐释了其相互作用的分子机理。所获结论为揭示海水养殖生态系统结构和功能提供了基础数据和科学依据。
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S968.434
【图文】：

24icrobial community composition in surface water (a), bottom water (b) and sevel. *: p < 0.05, **: p < 0.01 by ANOVA test.层水体(a)、底层水体(b)及沉积物(c)中微生物群落组成在属水平的差异分p < 0.01)

Fig. 2-7 Significantly changed OTUs in surface water (a), bottom water (b) and sediment (c) atGZ analyzed by response ratio at 95% confidence interval.图 2-7 龙须菜栽培区表层水体(a)、底层水体(b)和沉积物(c)中显著变化 OTU 的响应比分析The phylogenetic tree revealed the characteristics and distribution patterns ofdominant microbial groups (relative abundance > 1%) in the water column andsediment at both zones using the neighbor-joining method of MEGA 5. In the surfacewater, OTUs belonging to Aestuariibacter, Crocinitomix, Polaribacter,Tenacibaculum, unclassified Flavobacteriaceae and unclassified-Microbacteriaceaeexhibited higher abundances (p < 0.05) at GZ than at CZ (Fig. 2-8). In the bottomwater, OTUs belonging to Aestuariibacter, Bacillariophyta and Haliea showed higherabundances (p < 0.05) at GZ compared to CZ (Fig. 2-9). The OTUs in sedimentaffiliated with Arenibacter, Glaciecola, Leisingera, Sulfitobacter and Peredibacter

暨南大学博士学位论文 大型海藻龙须菜栽培生态系统微生物群落结构及功能研究At 1-m depth water samples, positive relationships were observed between PO43-,temperature, salinity, or pH and cultivation time, while there were negativerelationships between DO and cultivation time (p < 0.05). The increase in rates ofPO43-, temperature, and pH were greater in GW1m than in CW1m. However, theslopes of salinity and DO of CW1m were steeper than that of GW1m (Fig. 3-2). Inbottom water samples, PO43-, temperature, salinity and pH showed a positiverelationship with cultivation time, while the DO had a negative correlation withcultivation time (p < 0.05). Among these regressions between environmental factorsand cultivation time, the slopes of PO43-and pH in GWB were steeper compared toCWB. The slopes of temperature and salinity in GWB were flatter than those of CWB(p < 0.05) (Fig. 3-3).

本文编号：2772909