發(fā)布時(shí)間：2018-11-25 19:33

【摘要】：最近一百年來,全球氣溫升高了0.89℃。這導(dǎo)致全球各地的冰川大面積退縮,使得原本覆蓋在冰雪之下的土壤暴露出來,形成了冰川前緣原生裸露地,這為微生物、植物、動(dòng)物等提供了新的棲居地。由于受人為因素干擾較少,冰川前緣原生裸露地為研究自然狀態(tài)下的生物群落演替提供了理想的場所。本研究通過高通量測序技術(shù)和純培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合的方法研究了北極Midtre Lovenbreen (MLB)冰川前緣原生裸露地中微生物的多樣性和功能。MLB冰川位于北極斯瓦爾巴德群島(N74°81'E 10°35')新奧爾松地區(qū),隸屬挪威。該冰川史料記載詳細(xì),其前緣暴露年代序列已由Hodkinson教授等人在2003年利用放射性碳年代測定法或空中/地面攝影技術(shù)確立。本研究于2011年八月份從MLB冰川前緣不同退縮時(shí)間選擇八個(gè)位點(diǎn)(M0-M7)采集樣品進(jìn)行分析,這八個(gè)位點(diǎn)分別代表0、13、27、48、71、111、161和ca.1900年的土壤年齡。首先,利用平板稀釋法從MLB冰川前緣8個(gè)位點(diǎn)共分離培養(yǎng)獲得646株細(xì)菌,這些細(xì)菌主要屬于變形菌門(45.6%)、擬桿菌門(23.8%)和放線菌門(30.6%);屬于57個(gè)屬,其中黃桿菌、假單胞菌和節(jié)桿菌是優(yōu)勢菌屬。利用磷脂脂肪酸(PLFA)的方法發(fā)現(xiàn)微生物生物量隨暴露時(shí)間的增加而發(fā)生變化。其次,利用高通量測序技術(shù)研究MLB冰川前緣細(xì)菌、古菌、真菌及病毒群落結(jié)構(gòu)的演替規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：細(xì)菌中的變形菌門、放線菌門、酸桿菌門及疣微菌門；古菌的奇古菌門和廣古菌門；真菌中的子囊菌門和擔(dān)子菌門；病毒中的微小噬菌體是該區(qū)域的優(yōu)勢微生物類群。然而,不同暴露時(shí)期的位點(diǎn)都有其獨(dú)特的微生物類群,例如：演替早期位點(diǎn)含有較多的化能無機(jī)自養(yǎng)菌、光合細(xì)菌、耐輻射細(xì)菌以及耐冷菌,而演替后期含有較多的動(dòng)植物共生菌和具有降解功能的細(xì)菌；MLB冰川前緣早期位點(diǎn)中以廣古菌門為優(yōu)勢類群,而隨著暴露時(shí)間增長奇古菌門變成優(yōu)勢古菌；真菌隨著暴露時(shí)間的增長從以子囊菌門為優(yōu)勢類群到以擔(dān)子菌門為優(yōu)勢類群發(fā)生轉(zhuǎn)變：病毒表現(xiàn)出從環(huán)狀DNA病毒到多噬菌體均一存在,到長尾噬菌體,隨后到微小噬菌體,最后到虹彩病毒為主這樣一個(gè)變化規(guī)律。以上結(jié)果表明MLB冰川前緣微生物群落隨著暴露時(shí)間的增長而發(fā)生著有規(guī)律性的演替。另外,本研究發(fā)現(xiàn)微生物群落結(jié)構(gòu)在冰川融化后的13年內(nèi)會(huì)發(fā)生急劇的變化,表現(xiàn)在：光合細(xì)菌的增加、無法分類的古菌和擔(dān)子菌門含量的下降、多種噬菌體取代環(huán)狀DNA病毒成為優(yōu)勢病毒等。另外,通過宏基因組測序技術(shù)探究了MLB冰川前緣早期土壤位點(diǎn)(M1)、成熟中土壤位點(diǎn)(M3)和成熟土壤位點(diǎn)(M6)中微生物群落可能行使的功能。測序及分析結(jié)果顯示：MLB冰川前緣存在參與碳、氮、鐵、磷和硫等元素循環(huán)相關(guān)的微生物和功能基因；在對碳循環(huán)的研究中發(fā)現(xiàn)隨著微生物演替的進(jìn)行,光合微生物(主要是藍(lán)細(xì)菌)和光合色素合成基因的豐度逐漸降低,推測光合微生物的光合作用在MLB冰川前緣早期土壤中發(fā)揮著重要作用,但是其后作用下降；另外分析結(jié)果顯示在MLB冰川前緣區(qū)域存在多種產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌,隨著土壤的成熟和有機(jī)物的積累這些甲烷代謝微生物的豐度逐漸增加；同時(shí)發(fā)現(xiàn)MLB冰川前緣中存在污染物降解的基因,推測與成熟土壤中污染物的聚積及微生物降解有關(guān)；在對氮循環(huán)的研究中發(fā)現(xiàn)了與氮元素循環(huán)相關(guān)的基因,推測早期土壤中的氮源可能來源于微生物的礦化作用,而氨氧化作用以氨氧化細(xì)菌為主;MLB冰川前緣存在參與鐵、磷和硫元素循環(huán)的基因,尚未發(fā)現(xiàn)這些基因在MLB冰川前緣三個(gè)位點(diǎn)的分布存在規(guī)律性；首次利用宏基因組測序技術(shù)研究了MLB冰川前緣基因水平轉(zhuǎn)移發(fā)生的可能情況,發(fā)現(xiàn)隨著土壤暴露時(shí)間的增長,與接合作用、轉(zhuǎn)座作用和GTA相關(guān)的基因豐度逐漸下降,推測隨著演替的進(jìn)行,基因水平轉(zhuǎn)移能力逐漸下降；冰川前緣早期土壤高頻率的遺傳物質(zhì)的交換有可能有利于棲居在此的微生物進(jìn)化,使其更好地適應(yīng)惡劣環(huán)境(低溫、高溫差、高輻射、寡營養(yǎng))。此外,對分離獲得的潛在新分類單元：R3-20T、 R2-4T, R2-35T進(jìn)行多相分類學(xué)研究。從表型特征、化學(xué)分類學(xué)特征和遺傳學(xué)特征等多個(gè)方面,對這三株細(xì)菌進(jìn)行系統(tǒng)性的鑒定,確定了其系統(tǒng)發(fā)育地位并對其進(jìn)行了命名。最終將它們定成3個(gè)不同的新種：Sandarakinorhabdus arctica R3-20T, Hymenobacter arcticus R2-4T和Spirosoma arcticus R2-35T。目前,菌株R2-4T和R2-35T的研究結(jié)果均已合格發(fā)表,對細(xì)菌的命名獲得國際認(rèn)可。另外,發(fā)現(xiàn)菌株R3-20T是一株聚磷菌,其在好氧條件下大量攝取磷元素并在體內(nèi)合成多磷酸顆粒,而在厭氧條件下又可以在胞內(nèi)合成PHB；對該菌株進(jìn)行了全基因組測序并得到了基因組完成圖,從基因組信息中得到了與多磷酸顆粒及PHB代謝相關(guān)的基因,并通過定量PCR檢測了這些基因與磷酸鹽顆粒積累和分解的轉(zhuǎn)錄相關(guān)性。
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【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：Q938
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本文編號：2357168