溪流细菌群落海拔梯度分布格局及其对气候变化的响应

The spatial distribution of diversity and composition of ecological communities along elevations is one of the key and oldest topics in biogeography, which can be dated back to ~270 years ago. However, it was only 8 years ago for the elevational diversity in microorganisms to be studied. Most studies are based on soil environments, and stream habitats have been left understudied. Here, we will study stream biofilm bacteria on Hengduan Mountains in Yunnan Province, a natural laboratory with dramatic vertical changes in climatic zones and natural environmental variables. With advanced molecular methods, we will study the community composition and diversity from the evolutionary aspects, and obtain the elevational diversity patterns across local and regional scales. Further, we will set up field observation stations at different elevations in Laojun Mountain, and the dynamic temporal changes in stream bacterial community along elevations within a year or across years will be observed. In the lab, we will apply physiological tests and genomics sequencing for representative species after their isolation and purification from the biofilm samples at different elevations. Finally, based on the collected data of community compositions, climatic variables, temporary environmental factors and the genomic annotations of representative species, we will reveal the spatial-temporal patterns in elevational diversity and their underlying mechanisms within the phylogenetic and functional scopes. The obtained results will provide a comprehensive view in spatial distributions and underlying processes of stream bacteria in the Hengduan Mountain region, and will provide the theoretical references for aquatic environment protection and biological feedback mechanisms on climatic changes.

生物群落沿海拔梯度的分布规律及其机制是生物地理学的重要课题之一，可追溯至270多年前。微生物的海拔梯度分布格局仅8年前才被关注；目前大多数研究是有关土壤微生物，而溪流环境鲜有报道。本项目拟以云南横断山溪流细菌为研究对象，利用分子生物学技术等方法，从系统发育层次考察群落结构及功能，获取局域及区域尺度多样性海拔梯度分布格局；沿老君山不同气候带设溪流动态观测站，获取年内及年际间群落动态沿海拔梯度的变化；开展不同气候带的细菌分离培养，获取代表性物种的生理生化及基因组学特征。综合时空尺度的群落数据、气候特征、实测环境因子以及代表性物种基因组特征，采用生态位模型预测气候变化情景下的代表性物种分布格局，从进化和功能角度揭示细菌群落沿海拔的分布格局及其构建机制。本研究可获知本区域溪流水体环境和细菌群落现状，从多维时空尺度系统揭示区域细菌分布格局及机制，为水体环境保护及气候变化的生物响应提供科学依据。

270年前，生物地理学家开始研究生物群落沿海拔梯度的分布规律及其机制，然而有关微生物的研究直到2008年才被关注，水体生物方面的相关研究尤显不足。针对这一研究空缺，本项目以云南横断山水体微生物为主要研究对象，根据项目设计对海拔梯度下的生物样品开展了系统的时空尺度采集，从研究需要出发研发了涉及溪流的野外和室内模拟的研究装置和实验方法，考虑横断山和欧洲等地的山地水体环境从而将研究空间拓展到亚欧尺度，并且横向比较多类水生生境数据并综合文献资料进行了元分析（Meta-analysis），分析了时空尺度下的生物多样性海拔梯度分布格局，采用生态位等模型预测未来气候变化情景下的物种分布格局和多样性空间格局的变迁。整体而言，本项目着眼于横断山山地，放眼于亚欧及全球空间尺度，通过野外调查和微宇宙实验等，从传统的生态学理论出发，结合微生物自身的特色属性，获得区域及洲际尺度下的溪流水体环境和微生物群落现状，从生物多样性的多个维度揭示了微生物群落海拔梯度分布格局中的普适性规律，认识了微生物多样性对营养盐积累与气候要素等的响应特征，最终从多维时空尺度系统揭示了区域和全球尺度水体微生物空间分布格局及机制，为水体环境保护及气候变化的生物响应提供科学依据。在本项目的支持下，逐步形成了洲际尺度下的山地水体生物样品和数据库，将为全球变化下山地生物多样性格局现状及变迁的研究提供重要的基础支撑。依托本项目，已接受/发表论文13篇，其中SCI论文12篇，包括Nature Communications, Global Ecology and Biogeography，Molecular Ecology等知名刊物；研究成果获得了PNAS等杂志引用，1篇GEB论文2018年发表以来被引用80多次，为高被引论文。获得与实验装置和研究方法相关的实用新型专利4项，申请发明专利4项。培养硕士研究生3名、博士毕业生1名以及国际博士后2名。相关的研究成果参与获得2019年度江苏省科学技术奖一等奖。