东北稻田水体蓝藻病毒基因多样性与水体病毒宏基因组学研究

发布时间：2017-12-25 21:39

  本文关键词：东北稻田水体蓝藻病毒基因多样性与水体病毒宏基因组学研究　出处：《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：病毒生物结构简单,数量巨大,分布范围极广,在自然界起着重要的生态学作用。对环境病毒部分家族的遗传基因研究结果充分地表明,环境中存在许多未知的病毒集群,病毒遗传基因分布具有鲜明的地理特征。国际上针对水环境病毒生态学的研究主要集中在海洋和湖泊生态系统中,而对兼具水生和陆生特点的稻田生态系统研究很少。本研究以不同土壤类型的东北稻田为研究对象,一方面采用非培养的PCR扩增-克隆-Sanger测序技术,基于3种生物标记基因(psbA、DNA pol和phoH基因)研究了东北稻田水体蓝藻病毒的基因多样性及其群落分布特征,另一方面采用宏基因组学技术(高通量测序技术),避开了病毒没有统一遗传靶标分子生物标记的限制,研究了东北稻田水体病毒的宏基因组结构组成。研究结果如下:1.从2个东北稻田水体样品中获得了152条蓝藻病毒psbA基因序列。结果发现,尽管大多数中国东北稻田蓝藻病毒psbA基因序列与已报道的日本稻田蓝藻病毒psbA基因序列具有相对较高的相似性,但系统发育分析发现日本稻田和中国稻田分别存在2个和7个各自特有的蓝藻病毒psbA基因集群,表明中日两国稻田生态系统中蓝藻病毒psbA基因集群在一定程度上存在差异。此外,对来自不同生态环境的蓝藻病毒psbA基因进行系统发育树分析发现,绝大多数来自中日两国稻田的蓝藻病毒psbA基因序列集中分布在Subclusterα-2,表明稻田生态系统中蓝藻病毒psbA基因集群的系统发育分布范围狭窄,并且与来自海洋和湖泊环境的蓝藻病毒psbA基因集群亲缘关系较远。2.从4个东北稻田水体样品中获得了532条细菌病毒DNA pol基因序列。根据系统发育树的结构组成和每条细菌病毒DNA pol基因序列与NCBI数据库的比对结果,判断其中的438条属于短尾蓝藻病毒DNA pol基因序列。这些基因序列独自或与来自中国东湖的基因序列形成了9个独特的短尾蓝藻病毒DNA pol基因集群(Subclusterα-1~Subclusterα-8和Clusterβ),并且没有来自开放海域和沿海河口的基因序列分布在这些集群中。此外,不同稻田样点来源的短尾蓝藻病毒DNA pol基因序列在不同短尾蓝藻病毒Clusters和Subclusters中的分布比例不同,表明稻田生态系统中短尾蓝藻病毒的群落结构组成存在空间分布差异。比较来自不同环境的短尾蓝藻病毒dnapol基因克隆文库发现,稻田环境的短尾蓝藻病毒丰度与开放海域的短尾蓝藻病毒丰度相当,但比沿海河口切萨皮克湾的短尾蓝藻病毒丰度低。非度量多维尺度(nmds)分析发现稻田环境的短尾蓝藻病毒dnapol基因集群与来自淡水湖泊的短尾蓝藻病毒dnapol基因集群亲缘关系较近,而与那些来自海洋和沿海河口的短尾蓝藻病毒dnapol基因集群亲缘关系较远。3.从4个东北稻田水体样品中获得了424条细菌病毒phoh基因序列。其中,大多数基因序列与数据库已知phoh基因序列的最高相似度≤70%。系统发育分析发现,仅来自稻田环境的细菌病毒phoh基因序列形成了4个独特的集群(groupα、groupβ、groupγ和groupδ)和7个新的亚群(group2b、group3d、group3e、group6a、group6b、group6c和group6d),说明稻田生态系统中存在新的细菌病毒phoh基因集群。此外,不同环境(稻田和海洋)来源的以及不同稻田样点来源的细菌病毒phoh基因序列在不同细菌病毒groups中的分布比例不同,表明细菌病毒的群落结构组成存在生物地理分布差异。非度量多维尺度(nmds)分析发现稻田水体的细菌病毒phoh基因集群与来自海洋的细菌病毒phoh基因集群亲缘关系较远。根据系统发育树的结构组成和每条细菌病毒phoh基因序列与ncbi数据库的比对结果,判断本研究90%(379/424)的细菌病毒phoh基因序列可能来自蓝藻病毒,并且分布在clusteri和group1、2、3、6、α和β。4.从建三江、牡丹江和阎家岗3个东北稻田水体样品中分别获得5582、13325和10320条组装序列(contigs),分析发现分别约有50%、40%和20%的序列属于病毒范畴,包括了5个ssdna病毒科和1个dsdna病毒科,其中最丰富的均为ssdna微小病毒科病毒,第二丰富的病毒均为ssdna圆环病毒科病毒;这些基因组序列分别可划分为24、25和27种功能基因,其中噬菌体/前噬菌体功能基因中大多数为噬菌体衣壳蛋白基因和r1t-like链球菌噬菌体蛋白基因。此外,比较分析3个稻田水体样品病毒宏基因组的结构组成发现,其物种组成种类和功能基因种类差别不大,但不同物种和不同功能基因的丰度差异明显。综上所述,本研究从东北稻田水体中捕获上千条表征蓝藻病毒遗传多样性的不同分子标记基因序列,建立了7个新的稻田蓝藻病毒psba基因集群,发现稻田环境中蓝藻病毒psbA基因在系统发育树中的分布范围狭窄;建立了9个新的稻田蓝藻病毒DNA pol基因集群和4个新的细菌病毒/蓝藻病毒phoH基因集群,发现这两个分子标记基因在稻田环境中的分布存在明显地域差异;综合分析显示稻田环境中这三种蓝藻病毒基因的分布均与湖泊环境亲缘关系近,而与海洋环境亲缘关系远。此外,病毒宏基因组学分析发现稻田环境病毒多样性非常丰富,其宏基因组物种组成种类和功能基因种类差别不大,但不同物种和不同功能基因的丰度差异明显。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：Q933
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本文编号：1334554