海草生态系统生物固氮基因多样性、实时表达特征及固氮贡献率研究

Diazotroph plays a crucial role in energy flow, nutrition cycle and ecological function in Seagrass Ecosystems. The study area is located within Xincun Port and Li'an Port Special Reserve in Lingshui, Hainan province. Molecular methods, such as Pyrosequencing，qPCR and Clone Library，will be employed. The aim of this study is to elucidate the phylogenetic diversity of nitrogenase genes (nifH) and spatio-temporal patterns of expression of nifH gene in different diazotroph community, their correlation relationship with the different seagrass species, and the responses to physiological and ecological Indexes and the key environmental factors. Based on nitrogenase activity measured by acetylene reduction assay, it is possible to calculate the biological nitrogen fixation ability and its contribution to the whole seagrass plant and ecosystem. This study will provide the theoretical and technical support for cycle and balance budget of carbon and nitrogen, seagrass ecosystem balance maintenance and ecological restoration, functional microorganism resource utilization and biodiversity protection.

固氮微生物在海草床生态系统能量流动、营养循环和生态功能中起着非常重要的作用。本项目以海南"陵水新村港和黎安港海草特别保护区"的海草生态系统为研究区域，运用高通量测序、qPCR和基因文库等分子生物学技术，通过微生物固氮酶基因表达的实时分析，旨在探清其固氮微生物nif H基因的多样性和固氮酶基因实时表达的季节和空间格局，以及两者对海草床的不同种类、生理生态参数和关键环境因子的响应；并结合生理水平的乙炔还原法检测固氮活性技术，查清海草床生态系统的生物固氮能力及其在海草植株和相应生态系统的总氮需求中的贡献率；为我国典型海草生态系统的氮循环和收支平衡预算、维护海草生态系统的生态功能，以及海洋微生物资源的挖掘和生物多样性保护提供理论依据和技术支持。

海草床是热带和亚热带地区的典型海洋生态系统，其初级生产力总量约占全球海洋总初级生产力的1.13%，拥有丰富的生物多样性，具备较高的经济价值，生物固氮在海草植株生长过程中氮素的重要来源，为该生态系统中生产力的重要来源，因此调查和分析固氮微生物的分布、群落组成结构和活性特征是深入研究海草氮循环功能微生物的基础。本项目针对固氮微生物在海草床生态系统能量流动和营养循环中的重要生态功能，以微生物学、分子生物学和生态学为主要的技术手段，通过对不同种类海草的不同部位的可培养微生物群落结构组成及其与周围水体和沉积物的群落组成差异性进行了分析，结果显示可培养微生物群结构具有显著的季节差异特性和种属特异性；通过应用PCR-DGGE方法对不同季节不同站位海草泰来藻根际微生物群落进行分析，发现未培养微生物群落也呈现显著的季节性和地理差异性，沉积物中总氮含量是驱动其结构变化的一个重要因素；通过对海草泰来藻根际固氮基因nifH多样性的分析，探明了固氮微生物季节性特征以及空间分布格局；还通过多环芳烃胁迫实验对海草根际细菌和真菌的响应情况进行分析，结果显示海草根际微生物对不同浓度和不同种类PAHs的响应情况不同。本项目的研究结果为深入分析氮循环的其他环节奠定了坚实的基础，推动了我国海草微生物生态学的发展。