神农架大九湖泥炭藓共生/附生微生物功能群及其对环境因子变化的响应

Northern peatlands currently contain 30% of the global soil C pool, 50% of atmospheric C pool and thus is regarded as an important carbon sink on earth. As the major primary producer and the major decomposer, Sphagnum and microbes play a fundamental role in the ecological function of peatland. Recently greatly progress have been made on Sphagnum associated microbes, however the interaction between Sphagnum and different microbial functional groups are far less understood as well as the archaeal composition, diversity associated with Sphagnum and their correlation with environmental factors. This greatly retards our understanding about the ecological function and evolution of peatland. In this project we focus on Dajiuhu peatland, northwest Hubei province, and try to investigate the microbial structure, diversity and function associated with Sphagnum via metagenomics and molecular organic geochemistry. Meanwhile the special microbial functional groups such as nitrogen-fixers and hopanoids-producers will be studied via functional gene markers coupled with DNA-SIP techniques. Finally combined with our long-term monitoring program, the correlation among microbial composition, diversity, function and environmental factors will be analyzed. The results of this project will greatly enhance our understanding about peatland function dynamics with environmental changes and provides us key evidence to decipher the microbial information in geological records.

泥炭湿地对全球碳循环具有重要影响。作为最主要成碳植物的泥炭藓和作为有机质分解者的微生物对维持泥炭湿地碳汇功能至关重要，特别是那些与泥炭藓共生的微生物近年来取得了重大突破而成为人们关注的焦点。然而人们对泥炭藓与不同微生物功能群之间是如何相互作用的缺乏了解，尤其是缺乏与泥炭藓共生/附生的古菌的认识，这制约了人们对泥炭湿地生态功能和演化规律的认识。本项目以神农架大九湖泥炭藓共生/附生的微生物功能群为对象，以宏基因组和有机地球化学技术相结合，开展细菌与古菌的群落组成、多样性和功能的研究，结合功能基因的定性和定量分析，以及稳定同位素核酸探针技术，着重对泥炭藓共生/附生的固氮和产藿类化合物微生物功能群进行剖析。最后结合野外监测，探讨微生物组成、多样性与环境因子之间的关系。这些工作不仅对阐明全球变化背景下泥炭湿地功能的转变至关重要，而且能为解译地质记录中的微生物信息提供关键线索。

泥炭湿地对地球碳循环具有重要影响。作为最主要成碳植物的泥炭藓和作为有机质分解者的微生物对维持泥炭湿地碳汇功能至关重要，特别是那些与泥炭藓共生的微生物近年来取得了重大突破而成为人们关注的焦点。然而人们对泥炭藓与不同微生物功能群之间是如何相互作用的缺乏了解，尤其是缺乏与泥炭藓共生/附生的古菌的认识，这制约了人们对泥炭湿地生态功能和演化规律的认识。本项目以神农架大九湖泥炭藓共生/附生的微生物功能群为对象，以分子生物学和和有机地球化学技术相结合，开展细菌与古菌的群落组成、多样性和功能的研究，结合功能基因的定性和定量分析，着重对泥炭藓共生/附生的固氮和产藿类化合物微生物功能群进行剖析。最后结合野外监测，探讨微生物组成、多样性与环境因子之间的关系。研究发现，不同苔藓植物、泥炭藓不同部位以及泥炭沉积物中微生物的群落组成及结构有着显著差异，这种差异主要与生境的差异有关，而微生物群落中的稀有物种多样性以及与环境因子之间的关系与整体的微生物群落表现出相同的变化规律，为认识稀有物种对整个微生物群落结构的贡献提供了依据。此外，水位对泥炭沉积物和孔隙水中的微生物组成具有显著影响，但温度对孔隙水微生物利用碳源影响更大。在大九湖泥炭湿地中行使固氮作用的微生物主要是慢生根瘤菌属、伯克氏菌属和地杆菌属。但在泥炭藓绿色部分固氮微生物还有蓝细菌门、放线菌门和拟杆菌门；泥炭藓褐色部分的固氮微生物还包括疣微菌门；下伏沉积物特有的固氮类群包括广古菌门、螺旋体门、绿菌门和厚壁菌门。尤为重要的是泥炭藓褐色部分出现了大量与甲烷氧化菌相关的固氮类群：甲基杆菌属、甲基单胞菌属、甲基胞囊菌属、甲基弯菌属和甲基杆菌属。宏基因组结果显示，古菌能够参与植物多聚物降解并产生CO2和CH4，并对泥炭环境具有多种抗逆机制。深古菌在泥炭湿地的古菌中占有较大的比例，具有固氮和水解多糖的功能，这对全面了解泥炭湿地古菌的生态功能提供了依据。