基于环境转录组分析的红树林湿地微生物群落对典型有机物污染的响应机制研究

以福建漳江口红树林湿地为研究区域，红树林湿地微生物群落为研究对象，在前期环境基因组研究的基础上，引入环境转录组的研究方法，借助新一代测序技术高通量、低成本、高质量的优势，扩大测序样本量；并通过基因功能注释、差异表达分析、蛋白功能和分类预测等生物信息分析手段，研究暴露和未暴露于多环芳烃（PAHs）污染下的红树林湿地微生物，包括未培养微生物在内的整个群落的集体转录组。分析红树林湿地微生物群落在物种水平、基因表达水平以及代谢功能水平上对典型有机物污染的响应机制，发掘新物种、新功能基因并探究其与关键的生物地球化学过程的关联，揭示红树林湿地微生物的环境功能与作用规律。本项目的实施将为在同一环境样本中同时分析、评价和预测微生物群落的结构和功能提供一个全新的视角；为全面认识环境微生物群体水平的生理功能并用最新的生物技术手段来监测海洋环境和治理污染的研究拉开序幕。

多环芳烃（PAHs）是一类难降解、毒性高的石油类有机污染物，目前已在许多红树林湿地生态系统中造成了严重的污染问题。而红树林湿地生态系统自身蕴含大量具有PAHs降解能力的微生物，因此，红树林沉积物中的微生物群落与多环芳烃降解成为了当今研究的两个热点。迄今为止，已有许多文献报道了红树林沉积物中微生物群落的物种多样性及代谢功能。然而，我们对在多环芳烃污染环境中微生物群落成员的相互关系、生态位的迁移，以及微生物群落水平的代谢功能的变化，仍知之甚少。本项目以福建漳江口红树林湿地为研究区域，红树林湿地微生物群落为研究对象，对红树林湿地沉积物中PAHs污染状况以及微生物群落结构、多样性展开调查；并以天然的红树林湿地沉积物添加不同浓度、不同种类的有机污染物PAHs构建微宇宙（microcosm）实验体系，培养历时90d，结合16S rRNA基因，宏基因组及宏转录组高通量测序技术和生物信息学分析，研究典型有机物污染压力下红树林湿地微生物群落在物种水平、基因表达水平以及代谢功能水平上对典型有机物污染的响应机制。研究结果表明，福建云霄红树林湿地沉积物中的PAHs属中度污染，微生物群落表现出极高的生物多样性。在90d的培养期间，共获得33个样品，对样品16S rRNA基因的V3-V4区进行高通量测序，测序结果表明，一共涵盖了72个门和703个属，显示了红树林沉积物中极高的物种多样性，在多环芳烃污染压力下，红树林微生物群落结构并非“恢复”成初始的格局，而是一直处在“重构”的过程中。首次利用分子生态网络技术，基于OTUs构建了Phe、Pyr和BaP污染压力下的分子生态网络，确定了PAHs压力下生态网络中的关键菌种，它们大多隶属于Proteobacteria、Chloroflexi、Planctomycetes、Acidobacteria和Bacteroidetes等特定的门类。另外，在BaP网络中还发现了1个罕见的网络枢纽（Rhodoplanes）。通过宏基因组和宏转录组分析，重构了微生物群落水平的代谢通路，展示了PAHs降解通路、氮循环和硫循环中的基因在时间维度上的丰度变化，分别注释到19个、38个和42个同源基因。这些结果从功能水平上和生态水平上为氮硫循环在PAHs厌氧降解中的重要性提供了侧面的证据。