神农架大九湖泥炭湿地细菌和古菌多样性研究

发布时间：2017-05-30 17:05

  本文关键词：神农架大九湖泥炭湿地细菌和古菌多样性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：虽然泥炭地只占全球陆地面积的3%,但储存了陆地土壤碳的30%,因此在全球物质循环(特别是碳循环)和气候变化中扮演着重要的角色。由于泥炭地区地势低洼,排水不畅引起较高的地表水位甚至地表径流而形成的厌氧环境,使得植物残体降解缓慢进而导致有机质积累。泥炭在除南极洲之外的6大洲中均有发现,但累积强度明显不同,主要是在北半球中高纬度地区,又称北方泥炭地。中国境内包含的104.41×104hm2泥炭地主要在云贵和若尔盖高原,长江中下游地区也分布较丰富的泥炭资源。位于长江中游神农架地区的大九湖泥炭,面积16km2,海拔1700m,自全新世以来形成连续的超过2m的泥炭堆积,使其成为古气候研究的极好材料。该泥炭地因受东南季风和西伯利亚寒流的交替控制引起温度和降雨呈现季节性变化,植被主要以泥炭藓为主,这些特征都是北方泥炭地的主要特质。微生物是泥炭地重要的元素循环驱动力,因此,研究大九湖泥炭地微生物对于揭示泥炭地物质循环过程具有重要意义。为了探讨泥炭藓共生细菌以及泥炭表层沉积物细菌群落的垂向变化以及它们在湿地生态系统中的作用,对大九湖泥炭湿地泥炭藓植株的不同部位以及下伏泥炭沉积物进行了分层采样。利用克隆文库以及荧光定量PCR技术对样品中的细菌进行了定性和定量分析。结果表明,尽管细菌的16S rRNA基因拷贝数在同一个数量级(108拷贝／克样品),并都以变形菌和酸杆菌占优势,但细菌群落组成由泥炭藓上部至下部再到泥炭沉积物不同部位存在显著的垂向变化。泥炭藓上部以蓝细菌(Cyanobacteria)和Ⅸ变形菌门(alpha-Proteobacteria)为主,中部则以酸杆菌门(Acidobateria)为主,泥炭藓下部和最表层泥炭以α变形菌门和酸杆菌门为主,地表以下的泥炭样品以酸杆菌门占优势。细菌组成的这种垂向分布规律与细菌的生态功能密切相关。泥炭藓上部的蓝细菌通过光合作用与泥炭藓共生。酸杆菌门的细菌一方面能适应泥炭湿地低pH的环境条件,另一方面还在泥炭藓植株的降解及泥炭的形成中发挥重要作用,并可能参与泥炭湿地酸性条件的形成。在泥炭藓不同部位均发现了甲基孢囊菌科(Methylocystaceae)的克隆,暗示甲烷氧化不仅局限于泥炭藓死亡的透明细胞中,而是在泥炭藓的整个植株中均可能存在着活跃的甲烷氧化过程。这一工作对深刻理解和定量研究泥炭地的微生物地球化学过程,特别是甲烷通量以及甲烷循环具有重要意义。泥炭藓和沉积物样品的克隆文库均未饱和,文库只能反映细菌的部分信息。而Miseq高通量测序弥补了这一缺陷。泥炭藓和沉积物样品的Miseq测序均获得了大量的DNA序列,样品覆盖度都达到99%。泥炭藓中发现的细菌门类(19个)稍低于于沉积物(21个),优势门类(即相对丰度高于1%的门类)也不及沉积物多。在泥炭藓中,变形菌门明显优于位列第二的酸杆菌门,变形菌包含6个亚类,即α,β,γ,δ,ε和SK259,其中α变形菌和β变形菌各占近20%的丰度。酸杆菌门包含酸杆菌目、subgroup2、subgroup3和subgroup6共4个亚类。沉积物的细菌组成明显不同,沉积物中酸杆菌门较变形菌门的相对丰度最高,包含了10个亚类。泥炭藓和沉积物细菌多样性差异表现在各个分类水平,泥炭藓共发现137个属,主要以伯克氏菌属(Burkholderia.sp)为主,甲基杆菌科(Methylobacteriaceae)丰度占0.4%。沉积物中发现195个细菌属,以未分类的酸杆菌科为主。克隆文库与Miseq文库样本容量的悬殊导致样品覆盖度差异显著,Miseq文库对样品有近完全的覆盖。因此在估计微生物多样性上克隆文库估计偏低。虽然Miseq文库发现的门类远多于克隆文库,但克隆文库的方法能大致反映出微生物的优势趋势,且相对廉价,对于探讨微生物多样性较低的环境样品(如功能基因)不失为一良策。虽然沉积物和泥炭藓均有嗜甲烷细菌,但沉积物的古菌克隆文库并没有发现产甲烷古菌的存在,在沉积物的古菌可分为10个类群：奇古菌1.1b,1.1c,1.1f.隶属于Miscellaneous Crenarchaeota Group(MCG)的MCG5,MCG6, MCG15,MCG18;隶属于广古菌的SAGMEG-1,TMEG和未分类的类群(unclassfied group)。其中MCG5和MCG6分别以35.6%和32.9%的相对丰度占据该泥炭地的优势地位。沉积物中1.1b有19.9%的相对丰度,表明具有较强的氨氧化活性。虽然未发现产甲烷相关的克隆子,但有2个克隆子隶属于与产甲烷菌系统发育毗邻的TMEG类群。通过生物信息学和统计学的方法从NCBI数据库中调出3000多条古菌16S rRNA序列,统计分析了古菌在陆地上较大的尺度范围内的生态分布模式。结果显示,陆地上古菌的分布主要受到温度(蒙特塔罗检验,P=0.006,F=3.2)和pH值(蒙特塔罗检验,P=0.012,F=2.3)的控制。在所统计的土壤、泥炭、河口沉积物、红树林、热泉和盐湖6种生境中共发现了13个指示类群,某些指示类群对温度和pH值有很好的指示意义。由于MCG5(指示值为0.95)对酸性泥炭具有很好的指示意义,MCG5可能是异养、厌氧和耐酸的微生物。总之,本文所进行的大九湖泥炭微生物群落分析为揭示微生物群落及其对泥炭地的元素循环的影响具有重要意义。
【关键词】：大九湖泥炭地 泥炭藓 微生物 群落分析 生态功能
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q938
【目录】：

• 作者简介6-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-15
• 第一章 绪论15-22
• §1.1 泥炭地及其碳循环15-18
• 1.1.1 温室气体、泥炭地与全球气候变化15-17
• 1.1.2 泥炭地碳循环过程17-18
• §1.2 泥炭地的微生物生态特征18-20
• 1.2.1 泥炭地微生物多样性及生态功能18-20
• 1.2.2 拟解决的关键问题20
• §1.3 选题目的及研究内容20-22
• 1.3.1 选题来源20
• 1.3.2 选题目的20
• 1.3.3 研究内容20-21
• 1.3.4 选题意义21-22
• 第二章 材料和方法22-29
• §2.1 样品采集23-24
• §2.2 大九湖样品的多样性分析24-27
• 2.2.1 样品总DNA的提取24-25
• 2.2.2 定量PCR25
• 2.2.3 克隆文库的构建25-26
• 2.2.4 Miseq文库的构建26-27
• §2.3 全球陆地古菌生态模式分析27
• §2.4 实验所用仪器及分析方法简介27-29
• 第三章 大九湖泥炭细菌丰度、多样性及群落组成29-36
• §3.1 细菌PCR的定量结果29
• §3.2 细菌多样性分析29-30
• §3.3 细菌群落组成30-32
• §3.4 讨论32-35
• 3.4.1 与其他泥炭湿地细菌群落结构的比较32-33
• 3.4.2 泥炭湿地细菌群落空间分布的控制因素33-34
• 3.4.3 细菌生态功能及其环境意义34-35
• §3.5 小结35-36
• 第四章 泥炭藓及其下伏沉积物的MISEQ测序分析36-43
• §4.1 序列质量分析36
• §4.2 泥炭藓及其下伏沉积物的细菌多样性36-37
• §4.3 泥炭藓及其下伏沉积物的细菌组成37-41
• §4.4 克隆文库与MISEQ高通量文库的比较41
• §4.5 小结41-43
• 第五章 大九湖沉积物的古菌群落组成及古菌的全球分布模式43-52
• §5.1 研究位点的气候条件和理化性质43-45
• §5.2 古菌的多样性分析45
• §5.3 群落结构和生态特异性45-48
• §5.4 古菌群落与环境因子之间的相关性48-49
• §5.5 讨论49-51
• 5.5.1 古菌群落的分布模式及控制因子49
• 5.5.2 指示类群及潜在的生态功能49-50
• 5.5.3 环境中MCG的广泛存在50
• 5.5.4 环境指示意义50-51
• §5.6 小结51-52
• 第六章 结束语52-54
• §6.1 主要结论52-53
• §6.2 下一步工作设想53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-62

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本文编号：407540