大型浅水富营养化湖泊微生物时空格局及驱动机制

Microorganism plays a vital role in maintaining ecosystem function in lakes. For centuries, the patterns of plants and animals have been studied extensively at different temporal and spatial scales, while few similar studies have been carried out for microorganisms in the past due to the limitation of techniques. In this proposed study, five large shallow eutrophic lakes, i.e. Lake Taihu, Lake Chaohu, Lake Poyang, Lake Hongze and Lake Dianchi, were chosen to explore the biogeography patterns of prokaryotic microorganism (mainly bacteria and archaea). Using 16S rRNA gene based high-throughput sequencing, geographic information system and multivariate statistical analysis, we are going to elucidate the temporal and spatial patterns of prokaryotic microbial abundance, community composition and diversity. Meanwhile, the contribution of geography distance and modern environmental factors, such as cyanobacterial blooms, aquatic plant and riverine input, to the patterns were investigated quantitatively. The observed results would supply the clear evidence of whether the microbial pattern is similar to the macro-organism's. And it would helpful to the development biogeography and provide important insights into the protection of eutrophic lake ecosystems.

微生物在维持湖泊生态系统功能方面具有重要作用，然而囿于技术的限制，对于微生物时空格局及形成机制的研究长期滞后于大型生物。本研究拟以我国大型浅水富营养化湖泊太湖、巢湖、鄱阳湖、洪泽湖和滇池为研究对象，利用高通量基因测序、地理信息系统及多元统计分析等手段，通过对不同尺度下原核微生物（细菌和古菌）的生物地理学研究，阐明富营养化湖泊中原核微生物多度、群落组成及多样性的时空格局，定量解析空间距离和当代环境因素（如蓝藻水华、营养盐、水草分布、河流输入等）对其时空格局形成的贡献。研究结果可以提供湖泊微生物时空格局在本质上与大型生物是否相似的证据，促进生物地理学的学科发展，并为富营养化湖泊生态系统保护提供科学依据。

本研究主要以我国大型浅水富营养化湖泊太湖、巢湖、鄱阳湖、洪泽湖和滇池为研究对象，利用高通量基因测序、地理信息系统及多元统计分析等手段，通过对不同尺度下原核微生物的生物地理学研究，阐明富营养化湖泊中原核微生物多度、群落组成及多样性的时空格局，定量解析空间距离和当代环境因素对其时空格局形成的贡献，并试图解答以下几个科学问题：（1）大型浅水富营养化湖泊中原核微生物是随机分布的？还是具有一定时空分布格局？（2）如果具有时空格局，那么不同尺度下其时空格局驱动机制是否不同？（3）各尺度下历史进化因素（以空间距离为表征）和当代环境因素的相对贡献有多大？..通过对我国大型浅水富营养化湖泊不同尺度下微生物时空格局及其驱动机制研究，我们发现：（1）大型浅水富营养化湖泊中原核微生物不是随机分布的，它与动植物的地理学分布一样也具有时空分布格局；（2）不同尺度下其时空格局驱动机制有所不同，局域尺度下（如太湖全湖尺度）随机过程所起的作用要远大于确定性过程，如环境因子和地理因素所起的作用；随着尺度的增加，在区域尺度下（约3000km），由于扩散限制，地理隔离所驱动的微生物群落分异作用增大；（3）局域尺度下空间距离和当代环境因子的相对贡献分别约为5%和9%，两者共同贡献约为8%；区域尺度下空间距离和当代环境因子的相对贡献分别约为6%和17%，两者共同贡献约为8%。（4）确定性过程对微生物群落变异的低解释率暗示随机过程及种间相互作用在湖泊微生物群落时空格局研究中的重要性，定量解析它们的贡献将是下一步研究的重点。上述研究提供了湖泊微生物时空分布格局在本质上与大型生物相似的证据，为阐释生物界的普遍原理（即地球上所有生物不仅使用相似的遗传物质，也遵循相似的生态学、进化学及生物地理学原则）提供了理论基础和科学依据。