本文關鍵詞：東北稻田水體藍藻病毒基因多樣性與水體病毒宏基因組學研究　出處：《中國科學院大學(中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所)》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：病毒生物結構簡單,數量巨大,分布范圍極廣,在自然界起著重要的生態(tài)學作用。對環(huán)境病毒部分家族的遺傳基因研究結果充分地表明,環(huán)境中存在許多未知的病毒集群,病毒遺傳基因分布具有鮮明的地理特征。國際上針對水環(huán)境病毒生態(tài)學的研究主要集中在海洋和湖泊生態(tài)系統(tǒng)中,而對兼具水生和陸生特點的稻田生態(tài)系統(tǒng)研究很少。本研究以不同土壤類型的東北稻田為研究對象,一方面采用非培養(yǎng)的PCR擴增-克隆-Sanger測序技術,基于3種生物標記基因(psbA、DNA pol和phoH基因)研究了東北稻田水體藍藻病毒的基因多樣性及其群落分布特征,另一方面采用宏基因組學技術(高通量測序技術),避開了病毒沒有統(tǒng)一遺傳靶標分子生物標記的限制,研究了東北稻田水體病毒的宏基因組結構組成。研究結果如下:1.從2個東北稻田水體樣品中獲得了152條藍藻病毒psbA基因序列。結果發(fā)現,盡管大多數中國東北稻田藍藻病毒psbA基因序列與已報道的日本稻田藍藻病毒psbA基因序列具有相對較高的相似性,但系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現日本稻田和中國稻田分別存在2個和7個各自特有的藍藻病毒psbA基因集群,表明中日兩國稻田生態(tài)系統(tǒng)中藍藻病毒psbA基因集群在一定程度上存在差異。此外,對來自不同生態(tài)環(huán)境的藍藻病毒psbA基因進行系統(tǒng)發(fā)育樹分析發(fā)現,絕大多數來自中日兩國稻田的藍藻病毒psbA基因序列集中分布在Subclusterα-2,表明稻田生態(tài)系統(tǒng)中藍藻病毒psbA基因集群的系統(tǒng)發(fā)育分布范圍狹窄,并且與來自海洋和湖泊環(huán)境的藍藻病毒psbA基因集群親緣關系較遠。2.從4個東北稻田水體樣品中獲得了532條細菌病毒DNA pol基因序列。根據系統(tǒng)發(fā)育樹的結構組成和每條細菌病毒DNA pol基因序列與NCBI數據庫的比對結果,判斷其中的438條屬于短尾藍藻病毒DNA pol基因序列。這些基因序列獨自或與來自中國東湖的基因序列形成了9個獨特的短尾藍藻病毒DNA pol基因集群(Subclusterα-1~Subclusterα-8和Clusterβ),并且沒有來自開放海域和沿海河口的基因序列分布在這些集群中。此外,不同稻田樣點來源的短尾藍藻病毒DNA pol基因序列在不同短尾藍藻病毒Clusters和Subclusters中的分布比例不同,表明稻田生態(tài)系統(tǒng)中短尾藍藻病毒的群落結構組成存在空間分布差異。比較來自不同環(huán)境的短尾藍藻病毒dnapol基因克隆文庫發(fā)現,稻田環(huán)境的短尾藍藻病毒豐度與開放海域的短尾藍藻病毒豐度相當,但比沿海河口切薩皮克灣的短尾藍藻病毒豐度低。非度量多維尺度(nmds)分析發(fā)現稻田環(huán)境的短尾藍藻病毒dnapol基因集群與來自淡水湖泊的短尾藍藻病毒dnapol基因集群親緣關系較近,而與那些來自海洋和沿海河口的短尾藍藻病毒dnapol基因集群親緣關系較遠。3.從4個東北稻田水體樣品中獲得了424條細菌病毒phoh基因序列。其中,大多數基因序列與數據庫已知phoh基因序列的最高相似度≤70%。系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現,僅來自稻田環(huán)境的細菌病毒phoh基因序列形成了4個獨特的集群(groupα、groupβ、groupγ和groupδ)和7個新的亞群(group2b、group3d、group3e、group6a、group6b、group6c和group6d),說明稻田生態(tài)系統(tǒng)中存在新的細菌病毒phoh基因集群。此外,不同環(huán)境(稻田和海洋)來源的以及不同稻田樣點來源的細菌病毒phoh基因序列在不同細菌病毒groups中的分布比例不同,表明細菌病毒的群落結構組成存在生物地理分布差異。非度量多維尺度(nmds)分析發(fā)現稻田水體的細菌病毒phoh基因集群與來自海洋的細菌病毒phoh基因集群親緣關系較遠。根據系統(tǒng)發(fā)育樹的結構組成和每條細菌病毒phoh基因序列與ncbi數據庫的比對結果,判斷本研究90%(379/424)的細菌病毒phoh基因序列可能來自藍藻病毒,并且分布在clusteri和group1、2、3、6、α和β。4.從建三江、牡丹江和閻家崗3個東北稻田水體樣品中分別獲得5582、13325和10320條組裝序列(contigs),分析發(fā)現分別約有50%、40%和20%的序列屬于病毒范疇,包括了5個ssdna病毒科和1個dsdna病毒科,其中最豐富的均為ssdna微小病毒科病毒,第二豐富的病毒均為ssdna圓環(huán)病毒科病毒;這些基因組序列分別可劃分為24、25和27種功能基因,其中噬菌體/前噬菌體功能基因中大多數為噬菌體衣殼蛋白基因和r1t-like鏈球菌噬菌體蛋白基因。此外,比較分析3個稻田水體樣品病毒宏基因組的結構組成發(fā)現,其物種組成種類和功能基因種類差別不大,但不同物種和不同功能基因的豐度差異明顯。綜上所述,本研究從東北稻田水體中捕獲上千條表征藍藻病毒遺傳多樣性的不同分子標記基因序列,建立了7個新的稻田藍藻病毒psba基因集群,發(fā)現稻田環(huán)境中藍藻病毒psbA基因在系統(tǒng)發(fā)育樹中的分布范圍狹窄;建立了9個新的稻田藍藻病毒DNA pol基因集群和4個新的細菌病毒/藍藻病毒phoH基因集群,發(fā)現這兩個分子標記基因在稻田環(huán)境中的分布存在明顯地域差異;綜合分析顯示稻田環(huán)境中這三種藍藻病毒基因的分布均與湖泊環(huán)境親緣關系近,而與海洋環(huán)境親緣關系遠。此外,病毒宏基因組學分析發(fā)現稻田環(huán)境病毒多樣性非常豐富,其宏基因組物種組成種類和功能基因種類差別不大,但不同物種和不同功能基因的豐度差異明顯。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q933
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本文編號：1334554