北极新奥尔松地区冰川前缘微生物多样性与功能研究

发布时间：2018-11-25 19:33

【摘要】：最近一百年来,全球气温升高了0.89℃。这导致全球各地的冰川大面积退缩,使得原本覆盖在冰雪之下的土壤暴露出来,形成了冰川前缘原生裸露地,这为微生物、植物、动物等提供了新的栖居地。由于受人为因素干扰较少,冰川前缘原生裸露地为研究自然状态下的生物群落演替提供了理想的场所。本研究通过高通量测序技术和纯培养技术相结合的方法研究了北极Midtre Lovenbreen (MLB)冰川前缘原生裸露地中微生物的多样性和功能。MLB冰川位于北极斯瓦尔巴德群岛(N74°81'E 10°35')新奥尔松地区,隶属挪威。该冰川史料记载详细,其前缘暴露年代序列已由Hodkinson教授等人在2003年利用放射性碳年代测定法或空中/地面摄影技术确立。本研究于2011年八月份从MLB冰川前缘不同退缩时间选择八个位点(M0-M7)采集样品进行分析,这八个位点分别代表0、13、27、48、71、111、161和ca.1900年的土壤年龄。首先,利用平板稀释法从MLB冰川前缘8个位点共分离培养获得646株细菌,这些细菌主要属于变形菌门(45.6%)、拟杆菌门(23.8%)和放线菌门(30.6%);属于57个属,其中黄杆菌、假单胞菌和节杆菌是优势菌属。利用磷脂脂肪酸(PLFA)的方法发现微生物生物量随暴露时间的增加而发生变化。其次,利用高通量测序技术研究MLB冰川前缘细菌、古菌、真菌及病毒群落结构的演替规律。结果发现：细菌中的变形菌门、放线菌门、酸杆菌门及疣微菌门；古菌的奇古菌门和广古菌门；真菌中的子囊菌门和担子菌门；病毒中的微小噬菌体是该区域的优势微生物类群。然而,不同暴露时期的位点都有其独特的微生物类群,例如：演替早期位点含有较多的化能无机自养菌、光合细菌、耐辐射细菌以及耐冷菌,而演替后期含有较多的动植物共生菌和具有降解功能的细菌；MLB冰川前缘早期位点中以广古菌门为优势类群,而随着暴露时间增长奇古菌门变成优势古菌；真菌随着暴露时间的增长从以子囊菌门为优势类群到以担子菌门为优势类群发生转变：病毒表现出从环状DNA病毒到多噬菌体均一存在,到长尾噬菌体,随后到微小噬菌体,最后到虹彩病毒为主这样一个变化规律。以上结果表明MLB冰川前缘微生物群落随着暴露时间的增长而发生着有规律性的演替。另外,本研究发现微生物群落结构在冰川融化后的13年内会发生急剧的变化,表现在：光合细菌的增加、无法分类的古菌和担子菌门含量的下降、多种噬菌体取代环状DNA病毒成为优势病毒等。另外,通过宏基因组测序技术探究了MLB冰川前缘早期土壤位点(M1)、成熟中土壤位点(M3)和成熟土壤位点(M6)中微生物群落可能行使的功能。测序及分析结果显示：MLB冰川前缘存在参与碳、氮、铁、磷和硫等元素循环相关的微生物和功能基因；在对碳循环的研究中发现随着微生物演替的进行,光合微生物(主要是蓝细菌)和光合色素合成基因的丰度逐渐降低,推测光合微生物的光合作用在MLB冰川前缘早期土壤中发挥着重要作用,但是其后作用下降；另外分析结果显示在MLB冰川前缘区域存在多种产甲烷菌和甲烷氧化菌,随着土壤的成熟和有机物的积累这些甲烷代谢微生物的丰度逐渐增加；同时发现MLB冰川前缘中存在污染物降解的基因,推测与成熟土壤中污染物的聚积及微生物降解有关；在对氮循环的研究中发现了与氮元素循环相关的基因,推测早期土壤中的氮源可能来源于微生物的矿化作用,而氨氧化作用以氨氧化细菌为主;MLB冰川前缘存在参与铁、磷和硫元素循环的基因,尚未发现这些基因在MLB冰川前缘三个位点的分布存在规律性；首次利用宏基因组测序技术研究了MLB冰川前缘基因水平转移发生的可能情况,发现随着土壤暴露时间的增长,与接合作用、转座作用和GTA相关的基因丰度逐渐下降,推测随着演替的进行,基因水平转移能力逐渐下降；冰川前缘早期土壤高频率的遗传物质的交换有可能有利于栖居在此的微生物进化,使其更好地适应恶劣环境(低温、高温差、高辐射、寡营养)。此外,对分离获得的潜在新分类单元：R3-20T、 R2-4T, R2-35T进行多相分类学研究。从表型特征、化学分类学特征和遗传学特征等多个方面,对这三株细菌进行系统性的鉴定,确定了其系统发育地位并对其进行了命名。最终将它们定成3个不同的新种：Sandarakinorhabdus arctica R3-20T, Hymenobacter arcticus R2-4T和Spirosoma arcticus R2-35T。目前,菌株R2-4T和R2-35T的研究结果均已合格发表,对细菌的命名获得国际认可。另外,发现菌株R3-20T是一株聚磷菌,其在好氧条件下大量摄取磷元素并在体内合成多磷酸颗粒,而在厌氧条件下又可以在胞内合成PHB；对该菌株进行了全基因组测序并得到了基因组完成图,从基因组信息中得到了与多磷酸颗粒及PHB代谢相关的基因,并通过定量PCR检测了这些基因与磷酸盐颗粒积累和分解的转录相关性。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q938
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本文编号：2357168