纳帕海高原湿地基于g23和g20基因的病毒遗传多样性及生物地理分布模式研究

Virus is the most abundant biological entity on earth, and plays important roles in regulating microbial community structure, horizontal gene transfer, and promoting biological evolution. Compared with the oceans and lakes, the plateau wetlands are relatively independent, in which the evolution of different virus may be unique, then the biogeographical distribution and the ecological function will also be different. In order to investigate the distribution of different kinds of virus in Napahai plateau wetland, the distribution of T4-type bacteriophage and cyanophage communities were detected by using the highly-conserved biomarker gene of g23 and g20 gene, which encodes the major capsid protein. The morphological aspects were observed by transmission electron microscopy. The virus distribution, community structure and ecological function were analyzed by viral metagenome. Based on the phylogenetic analysis, UniFrac and other environmental database, the bio-geographical distribution pattern, gene diversity, community structure and ecological function of the virus based on g23 and g20 genes were elucidated in Napahai Plateau wetland. The study not only provides the basis for the evolutionary biology, but also provides theoretical support for controlling the blooms of harmful algae, and the research on the transmission of viral genetic information.

病毒是地球上数量和形态最丰富的生命形式，在调节微生物群落结构、生物间基因水平转移、促进生物进化中具有重要作用。与海洋、湖泊相比，高原湿地相对独立，其中不同种类病毒的进化途径可能比较独特，那么这些病毒在其中的生物地理分布及所扮演的生态功能也将会有所不同，值得我们进一步研究。为进一步探讨不同病毒类群在纳帕海的分布情况，采用能较好表征环境特性的T4型噬菌g23基因和噬藻体g20基因为指针，对纳帕海高湿地病毒分布情况进行调查，揭示病毒在纳帕海湿地中的遗传多样性；采用透射电镜观察病毒形态；利用宏病毒组检测病毒分布特征并分析其生态功能；所得数据经系统进化分析、UniFrac分析、与其他环境数据进行比较分析，阐明基于g23和g20基因的病毒在该地区中的生物地理分布模式、基因多样性及群落结构。研究不仅为进化生物学提供依据，还能够为进一步控制有害藻的水华及病毒遗传信息等研究提供实践和理论支持。

作为海洋和湖泊生态系统重要组成部分，病毒多样性及生态作用已成为现代微生物学研究热点。但关于纳帕海高原湿地病毒遗传多样性及生物地理分布模式研究未见报道。因此，针对纳帕海湿地开展基于病毒保守基因遗传多样性、病毒分布特征及生态功能具有重要科学意义，主要研究结果如下：.1）利用相对保守的T4类噬菌体g23基因、噬藻体g20基因、光合基因psbA和mazG基因为指针，对该区域T4类噬菌体及噬藻体分布情况进行调查。系统发育分析表明纳帕海高原湿地不仅存在其他生境已分离到的T4噬菌体类群，还存在独有NPHI和Ⅱ新类群；纳帕海湿地噬藻体g20及psbA基因与稻田亲缘关系更近，存在独有的噬藻体类群；泥炭土样品mazG基因分属5簇，其中3簇为独有类群。2) 利用宏病毒组从微观角度分析纳帕海高原湿地病毒多样性、丰度及生态功能。科水平病毒丰度统计，土壤样本 S1微病毒科为优势科，土壤样本S2长尾病毒科为优势科，水样则是拟病毒科为优势科，还存在大量疱疹病毒科，说明人类活动对该地区水环境造成影响。土壤样本S1代谢水平普遍高于S2，水体中病毒功能多样性明显大于土壤。. 本研究首次从不同角度和尺度对低纬度、高原低温湿地纳帕海中病毒遗传多样性、分布特征及生态功能开展深入研究。研究结果不仅使得这一独特地理环境微生物生态研究更加系统化，还为进一步开展生物地球化学及挖掘微生物资源奠定基础。