渤黄海沉积物中古菌的生物地理学分布模式、维持机制及其生物地球化学作用

Microorganisms are major components of marine biogenic elements cycle. Exploring the microbial biogeographic distribution patterns is of particular importance for understanding the ecological roles of microorganisms and further predicting changes of ecological environments. Archaea are ubiquitous in marine sediments, but their biogeochemical functions are largely unknown and just beginning to be understood. In this project, the abundance and biogeographic distribution patterns of total and active archaea, as well as their correlations with environmental factors, in sediments of the Bohai Sea and Yellow Sea will be investigated via 16S rDNA/rRNA high-throughput sequencing and quantitative PCR. Moreover, the interaction relationships between archaeal species at various taxonomical levels, and their response to environmental changes will be explored via network analysis. In this context, metagenomics or large fragment clone libraries, as well as multiple bioinformatics tools such as sequences annotation, will be implemented to evaluate the metabolic potentials and ecological roles of dominant archaea in the Bohai Sea and Yellow Sea sediments. Based on above studies, we hope to disclose the distribution patterns of archaea under the influence of natural and anthropogenic disturbances, and strengthen the understanding of archaeal biogeochemical roles in sediments of the marginal seas.

微生物是海洋生源要素循环中最重要的组成部分，探究微生物的生物地理学分布模式对理解其生态学功能及预测生态环境的变化有非常重要的意义。古菌广泛分布于海洋沉积环境中，而对其生物地球化学功能的研究才刚刚起步。本申请项目拟以我国渤海和黄海为研究区域，采用16S rDNA/rRNA高通量测序及荧光定量PCR等技术，分析沉积物中总古菌和活性古菌的丰度、时空分布模式及与环境因素的相关性，并利用网络分析探索古菌类群在多种分类水平下的相互作用关系及在不同环境条件下所发生的变化。在此基础上，进行宏基因组或大片段克隆文库测序，结合序列注释等多种生物信息学分析方法，研究渤黄海沉积物中优势古菌类群的代谢潜能并推测其生态学功能。通过以上研究，揭示古菌类群在自然及人为活动影响下的分布规律，并加深对古菌在边缘海沉积物中所发挥的生物地球化学作用的认识。

海洋古菌在全球碳、氮等生源要素循环过程中发挥重要作用，生态重要性不言而喻。古菌在海洋沉积物中广泛存在，了解其时空分布模式及群落形成机制是最终认识古菌生物地球化学作用的基本前提。本项目对采集自我国渤海、黄海、长江口及东海北部等区域的表层沉积物样品中的总/活性古菌的丰度、多样性、分布规律及群落形成机制进行了研究，发现总古菌丰度的空间差异较小，却呈现明显的季节性变化，表现为冬季高，夏季低。活性古菌的丰度是总古菌的1~10%。然而，总古菌群落表现出明显的空间异质性，而季节差异不明显。奇古菌门、乌斯古菌门和深古菌门是最优势古菌，前两者主要分布于渤黄海区域，而后者在长江口区域占优。活性古菌的群落组成与总古菌具有较大差异，多样性更高，最优势活性古菌为乌斯古菌门。无论季节，总古菌群落均表现出明显的distance-decay（距离衰减）模式。不同古菌类群对距离衰减模式的贡献不同，其中，丰度最高的Marine Group I (MG-I)类群虽具有较低的空间群落异质性，但表现出最强的距离衰减模式。随机性过程和决定性过程是影响微生物群落组装的重要因素，对于沉积物古菌，前者的相对贡献大于后者。随机性过程中的分散限制、漂变与决定性过程中的均质化选择是控制古菌群落组装的重要机制。通过网络分析对古菌间的相互作用关系进行了探索，发现冬夏季的总古菌互作关系保持一致，表现为“近缘相依”的共存模式，而对于活性古菌，小规模模块化明显，暗示不同活性古菌可能具有各自特异的生存方式，彼此间依赖程度较低。此外，宏基因组学分析发现，渤海—北黄海与南黄海的碳代谢基因具有显著差异，分别以发酵基因和有氧呼吸基因占优，可能归结于不同的底层水氧浓度或沉积物氧穿透度。通过分箱技术，获得了3个MG-I全基因组序列，对其中2个进行系统发育分析发现其可能代表新属中的两个不同种。比较基因组分析表明所获MG-I基因组中具有较多的蛋白酶编码基因，并发现2个几丁质酶编码基因，可能在沉积物的大分子有机质降解过程中发挥重要作用。