大九湖泥炭古菌的环境基因组学研究

发布时间：2020-05-13 02:55

【摘要】：泥炭是植物残体完全或部分矿化形成的沼泽地产物,在全球碳循环中扮演着重要的角色。虽然泥炭地仅占全球土壤面积的3%,但经过植物光合作用吸收CO_2从而存储30%的全球土壤碳汇,是地球上最有效的自然碳汇。泥炭地也会通过缓慢的有机质降解向大气释放CO_2和甲烷,其作为甲烷源也受到了广泛关注。泥炭地中的产甲烷菌主要是隶属于广古菌门的甲烷微菌目和甲烷八叠球菌目,此外还包括奇古菌门,泉古菌门和深古菌门。目前这些古菌类群的纯/富集培养物和基因组数量有限,特别是丰度较高的深古菌门,其代谢途径和生态功能鲜有报道,严重制约了人们对古菌参与泥炭地生物地球化学循环的认识。本研究以数据库中神农架大九湖泥炭地来源的古菌核苷酸序列为切入点,通过物种注释和全球其他泥炭地的群落对比,结合高通量测序发现并验证其群落组成特征;利用宏基因组测序和基因组分箱技术在群落水平探讨泥炭地古菌生态功能及生态适应机制,在个体层面上挖掘了古菌代谢途径及进化特征,为泥炭地古菌介导地球元素循环的认识开拓了新的视野。本论文得到的主要进展如下:1)大九湖泥炭沉积物中的古菌类群以深古菌门为主,产甲烷功能的古菌类群丰度极低,有机质含量、TOC、pH及含水率对古菌的分布具有显著影响克隆序列的重新注释表明大九湖泥炭沉积物中古菌具有深古菌门丰度高、无产甲烷菌的特征,显著区别于全球其他泥炭地的古菌群落组成。而高通量测序证实了这样的结论,发现大九湖泥炭深古菌门丰度高达92.1%,产甲烷菌丰度不足0.2%。深古菌门又可划分为13个亚类群,亚类群MCG5b以38.5%的丰度远远高于MCG20(23.9%)和MCG6(11.4%)。大九湖泥炭中古菌数量在10~5-10~7拷贝数/克沉积物,而钻孔中部的基因拷贝数最高,底部最低。高通量测序数据多样性分析发现泥炭中古菌多样性较低,并随着采样深度的增加而减少。OTU水平的多元方差分析和分类学水平的冗余分析均表明有机质含量、TOC、pH及含水率对钻孔中古菌群落的分布具有显著影响。2)大九湖泥炭地中的古菌参与植物多聚物降解并产生CO_2和CH_4的完整过程,并对泥炭环境具有多种抗逆机制,而深古菌具有固氮、水解多糖的功能宏基因组测序表明钻孔中古菌的基因占总基因的9.70%,在单个样品中的丰度随着采样深度的增加而增加。古菌基因主要隶属于广古菌门,深古菌门占2.9%,而16S rRNA基因中深古菌门丰度高于广古菌门和奇古菌门。功能分析发现古菌基因包含15种固碳,6种固氮和6种磷酸盐同化基因,同时也包含了植物多聚物降解的纤维素、半纤维素和果胶酶以及小分子有机物的厌氧和发酵途径的多种基因,表明古菌参与了植物残体的整个降解过程。古菌具有抗生素抗性基因、抗氧化基因、分子伴侣、高亲和力的钾离子转运通道蛋白、缓冲分子代谢基因、重金属转运蛋白和氧化还原酶类,体现了古菌对泥炭环境具有多种适应性。而深古菌具有nifU基因、碳水化合物活性酶CE1和CBM44,说明深古菌参与泥炭环境的固氮和纤维素的降解过程。3)大九湖泥炭地中的深古菌包含固碳、丙酸降解、亚硝酸盐还原等功能,并包含真核生物的进化特征大九湖泥炭样品中获得5个高质量的深古菌门基因组上隶属于5个亚类群:MCG5b、MCG6、MCG2、MCG10和MCG13,与其他深古菌门基因组的平均核苷酸相似性介于58.83%-72.02%。这些基因组大小介于1.22 M-3.08 M之间,编码基因数量为1296-3218个。功能注释表明这些深古菌利用Wood-Ljungdahl途径固定CO_2。细胞膜上的多肽、氨基酸和多糖转运系统与胞内的蛋白水解酶和多糖水解酶表明深古菌参与泥炭地有机质的降解,完整的丙酸降解途径表明深古菌与产酸菌可能存在互营养共生,亚硝酸盐还原酶编码基因的发现暗示深古菌可以利用亚硝酸盐还原进行厌氧呼吸。此外,深古菌门基因组中包含如DNA聚合酶、GTP结合蛋白、内体转运复合体、泛素修饰系统和寡糖转运酶复合物等真核生物特征蛋白,为真核起源于古菌的假说提供了支持。以上研究从分子生物学角度探讨了大九湖泥炭地的古菌群落组成、生态功能、生境适应性及进化特征,发现深古菌门是大九湖泥炭沉积物的主要类群;泥炭中古菌不仅能降解植物残体、厌氧和发酵代谢有机小分子,也能同化碳、氮和磷增加泥炭生物量;深古菌具有胞外蛋白和多糖水解能力,此外还具有降解丙酸和还原亚硝酸盐的功能,并具有真核生物生物的进化特征。以上的研究为推进泥炭地生物地球化学过程的认识开拓了新的视角。
【图文】：

全球分布,泥炭,泥炭资源,面积

图1.1 泥炭地的全球分布图[22]中国泥炭地资源比较匮乏，据柴岫[1]的不完全统计结果，中国泥炭地面积为4.15×104km2，占国土面积的 0.43%，其中 80%为裸露型，20%为埋藏型。该泥炭地面积占全球总泥炭面积（据《发展中国家泥炭资源》[26]）的 1%，，位列世界泥炭面积排行榜的第八位。而在 90 年代初期，基于裸露泥炭沉积厚度超过 30 cm

古菌,研究进展,时间轴,文献

特别是PCR 技术在环境微生物研究中的应用，人们对古菌的认识得到了极大扩展（图1.2）。Fuhrman 等人[85]从美国圣地亚哥港口 100-500 m 深的海水样品中利用引物对 537F 和 1390R 发现了与泉古菌门和广古菌门亲缘关系较远的古菌世系，而DeLong, E. F 等人[86]利用引物对 A21F 和 A958R 从海水样品中发现了 2 个世系：GroupI 因与嗜热泉古菌（热变形菌属、热网菌属和脱硫球菌属）亲缘关系较近而被成为中温泉古菌，而 GroupⅡ与广古菌门的富盐菌属、热球菌属和甲烷八叠球菌属情缘关系较近。GroupI 就是后来通过核糖体蛋白的串联构树而确定的奇古菌门[87]，其富集培养物的首次获得于海绵共生体[88]，而首个分离菌株来源于热带海洋水族箱（N.maritimus SCM1）[89]，随后研究人员又从俄罗斯加尔加和美国黄石公园的陆地热泉富集到加尔加尔加亚硝化球菌[90]和黄石公园亚硝化热菌[91]，从维也纳土壤中富集到了维也纳亚硝化球菌[92]，从英国的酸性土壤中获得了阿伯丁亚硝化杆菌[93]。初古菌门富集培养物是 2008 年从黄石公园的热泉沉积物获得的[94]
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q933;X172

【参考文献】