典型海洋環(huán)境中浮游細菌多樣性及環(huán)境適應機制的研究.pdf

1、海洋浮游細菌是海洋生態(tài)系統(tǒng)中豐度最高的微型生物類群，具有極為豐富的遺傳多樣性和生理代謝多樣性，從而具有極為重要的生態(tài)地位和功能。本論文闡明了一些典型的海洋浮游細菌類群在中國的典型海域及全球主要大洋中的多樣性分布特征，并探討了它們的環(huán)境適應機制以及和環(huán)境協(xié)同進化的關(guān)系。主要研究對象為受關(guān)注較少同時對海洋碳循環(huán)和光利用有獨特貢獻的幾類浮游細菌類群，包括擅長降解大分子顆粒有機物的嗜纖維菌一黃桿菌類群(Cytophaga—Flavobacter

2、ia，CF)、生理潛能和生態(tài)功能目前仍知之甚少的浮游古菌、具有固定CO2能力的浮游變形細菌、能兼性利用光營混合營養(yǎng)的好氧不產(chǎn)氧光合異養(yǎng)細菌(AAPB)和有色異養(yǎng)細菌(PHB)等。 首先，我們選取了東海的長江口為中國邊緣海中河口到陸架的典型過渡區(qū)域，系統(tǒng)地調(diào)查了CF類群、浮游古菌和固碳變形細菌在該區(qū)域的多樣性分布模式。CF類群是海洋中最為豐富的浮游細菌類群之一。我們通過使用一對新設(shè)計的CF特異的16SrRNA基因引物構(gòu)建得到長江

3、口與東海兩個海區(qū)的克隆文庫，揭示了CF在這兩個區(qū)域豐富的多樣性以及截然不同的多樣性分布模式。70條CF的16SrRNA基因序列可分為26個亞群，包括7個東海特有的亞群、17個長江口特有的亞群以及2個共有的亞群。東海CF種的多樣性較高，而長江口CF亞群的多樣性較高。在亞群水平上，長江口和東海都是廣譜的亞群占優(yōu)勢地位。來源于土壤、近岸和淡水的亞群僅在長江口有分布，這和該站位的地理位置和環(huán)境特征是一致的。CF種對水文條件完全不同的兩種生境的適

4、應以及本土CF群落的發(fā)展和演替造成了長江口與東海CF群落結(jié)構(gòu)間的顯著差異。 通過構(gòu)建長江口古菌16SrRNA基因的2個克隆文庫，我們也揭示出浮游古菌這類在海洋生態(tài)系統(tǒng)中廣泛分布的類群同樣也存在于中國的典型海域。對所得到的21個RFLP帶型測序的結(jié)果顯示了長江口區(qū)域存在著兩個古菌類群，即屬于Crenarchaeota的海洋類群Ⅰ(MGⅠ)和屬于Euryarchaeota的海洋類群Ⅱ(MGⅡ)。MGⅠ的克隆子在2個文庫中都是優(yōu)勢類

5、群。我們得到的大部分序列與未培養(yǎng)的海洋古菌近緣，其中有2條序列與新鑒定的海洋硝化古菌Nitrosopumilusmaritimus有98％的同源性，提示古菌在河口生態(tài)系統(tǒng)中可能有著重要的生態(tài)作用。 具有固碳潛力的變形細菌也是一類具有重要生態(tài)意義但受關(guān)注較少的海洋浮游細菌類群。我們首次設(shè)計得到專門針對變形細菌1，5—二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)大亞基(rbcL)基因Ⅰ型和Ⅱ型的兩套引物，并用于東海近岸和外海兩個站

6、位樣品的擴增。結(jié)果表明Ⅰ型的多樣性在高鹽低生產(chǎn)力的離岸站位較高，而Ⅱ型的多樣性在低鹽高生產(chǎn)力的近岸站位較高。部分序列與數(shù)據(jù)庫中已知的rbcL基因序列相似性很低(60～78％)。揭示出在東海水域分布著多樣的具有固碳能力的浮游變形細菌，這也提示我們需要進一步關(guān)注它們在海洋碳循環(huán)中的貢獻。 然后，我們以一類典型的功能海洋細菌類群AAPB為代表，系統(tǒng)地分析了它們在全球主要大洋中的多樣性分布模式，并探討了它們和環(huán)境的協(xié)同進化關(guān)系。來自包

7、括太平洋、大西洋和印度洋以及中國邊緣海的表層AAPB指示基因—光反應中心復合體小亞基基因(pufM)的多樣性數(shù)據(jù)表明，AAPB在全球海洋中具有豐富的多樣性，而且隨著葉綠素α濃度的升高而呈降低的趨勢。這一發(fā)現(xiàn)說明從寡營養(yǎng)到富營養(yǎng)海區(qū)，AAPB的多樣性和豐度的分布趨勢正好相反。 在垂直梯度上，通過對中心太平洋、大西洋和印度洋三個站位的表層和弱光層上層的浮游細菌樣品建立6個pufM基因克隆文庫，我們進一步證實了貧營養(yǎng)大洋AAPB種群

8、極高的多樣性。同時，首次從真光層以下的弱光區(qū)域(200m)擴增得到大量的pufM序列(共136條序列，劃分為37個OTU)。系統(tǒng)發(fā)育分析的結(jié)果表明真光層以下的AAPB種群也是多樣化的，覆蓋了所有在表層海水中發(fā)現(xiàn)的亞群，但多樣性、GC和GC3含量比表層站位稍低，同時優(yōu)勢度更高。這些結(jié)果支持了這個假說—AAPB能利用弱光層的弱光來獲得能量，從而可以分布到真光層以下的水層中。 為進一步探討不產(chǎn)氧光合細菌與環(huán)境協(xié)同進化的關(guān)系，我們從公

9、共數(shù)據(jù)庫收集了89個含有pufM序列的不產(chǎn)氧光合細菌及其來源環(huán)境相關(guān)的信息。系統(tǒng)發(fā)育分析表明21個pufM系統(tǒng)發(fā)育亞群中有11個發(fā)生過水平基因轉(zhuǎn)移(HGT)。HGT不儀發(fā)生在同一個綱的物種之間，而且在不同門或亞門的種之間也有發(fā)生。不產(chǎn)氧光合細菌的來源環(huán)境特征與其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系密切相關(guān)。所有來自有氧棲息地的種和來自缺氧棲息地的種分別聚類在不同的進化枝上。古老的不產(chǎn)氧光合細菌種之間的基因水平轉(zhuǎn)移以及隨后它們對各自生態(tài)位長期的適應性進化可能導致

10、了不產(chǎn)氧光合細菌與環(huán)境間協(xié)同進化的現(xiàn)象。 其次，我們在上述基于不可培養(yǎng)的分子生物學方法研究浮游細菌多樣性的基礎(chǔ)上，進一步通過培養(yǎng)的方法分析了含色素的有色異養(yǎng)細菌(PHB)這類有重要生態(tài)意義的海洋浮游細菌類群的多樣性、豐度和光吸收特性。在中國海的近岸、大陸架以及鄰近太平洋進行的純系分離和初步鑒定的研究結(jié)果表明，PHB的豐度和占總可培養(yǎng)細菌數(shù)的比例從近岸到外海逐漸降低，在長江口的值最高，分別為9.9×103個細胞/毫升和39.6％

11、。在垂直梯度上，PHB僅分布于真光層，豐度和比重的最高值均出現(xiàn)在表層。對分離得到的247株有色細菌進行RFLP篩選和16SrRNA基因測序的結(jié)果表明，它們覆蓋了6個細菌類群：α—變形細菌、γ—變形細菌、Actinobacteria、Bacilli、Flavobacteria和Sphingobacteria，囊括了25個屬。不同海區(qū)的優(yōu)勢類群和種屬分布各有差異；同時，不同種屬的菌株顏色也各異，包括金黃色、黃色、紅色、粉紅和橘色等。細胞色素

12、吸收光的波長介于450～550nm之間。這些結(jié)果表明PHB廣泛分布于海洋環(huán)境中，并有很高的多樣性，它們在海洋生態(tài)系統(tǒng)中對光的吸收和利用有著獨特而重要的作用。 最后，對海洋微型生物多樣性研究中的一些關(guān)鍵性的方法學問題進行了探討，并建立了兩種新的分析方法或標準，包括：通過對數(shù)據(jù)庫中不產(chǎn)氧光合細菌純系來源的pufM序列進行以距離為基礎(chǔ)的聚類，并將聚類關(guān)系與序列來源物種的分類地位相對應，建立了一套種、屬、門(或亞門)上的pufM序列距