长期增温对淡水浮游细菌功能基因多样性和代谢潜力的影响

Climate warming is a serious threat in the maintaining of freshwater ecosystems biodiversity. Bacterioplankton as the primary decomposers of freshwater ecosystems drive most of the geochemical cycle in the water bodies. However, due to the long-term lack of research tools and methods, the researches of freshwater bacterioplankton diversity in particular functional gene diversity is quite few compared to larger organisms, such as fish and aquatic plants. This project plans to operate an aquatic mesocosm ecosystems and simulate the climate warming tendency in situ. Environmental metagenomics, transcriptomics technologies and high-throughput functional GeoChip will be applied to analyze the influences of warming on freshwater bacterioplankton alpha and beta diversity, community metabolic potential, and their relationship with eutrophication of freshwater ecosystems. This project aims (1) to uncover the processes and the underlying mechanisms of bacterioplankton functional gene diversity in response to climate warming; (2) to illuminate the mechanisms by which climate warming influence the bacterioplankton community metabolic activity of carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur and other elements in water bodies; (3) to reveal whether the responses of bacterioplankton community functional structure to long-term climate warming are dependent on the nutritional status of freshwater ecosystems. The results of this project will not only help understand how the whole freshwater ecosystems respond to climate warming, but will also provide important basic data and theoretical support for enriching the theoretical systems of freshwater ecology.

气候变暖正严重威胁着淡水生态系统中生物多样性的保持。浮游细菌作为淡水生态系统的主要分解者，驱动着水体大部分的地球化学循环过程。但由于研究手段和方法的长期匮乏，相比于大型生物，例如鱼类和水生植物，对淡水浮游细菌多样性特别是功能基因多样性的研究十分匮乏。本项目拟采用中宇宙试验系统和原位模拟气候变暖趋势结合的方法，应用环境宏基因组学、转录组学和功能基因芯片技术，通过比较长期增温影响下淡水浮游细菌功能基因alpha和beta多样性、代谢潜力及其与水体富营养化之间的关系，探讨淡水浮游细菌群落功能基因多样性对气候变暖的响应过程和机理；阐明气候变暖对浮游细菌碳、氮、磷、硫代谢潜力差异的影响机制；并揭示长期增温对浮游细菌群落功能基因结构的影响是否与水体的营养状况存在关系。本研究的结果将有助于深入了解淡水生态系统对全球变暖的响应机制，且为丰富淡水生态学的理论体系提供一定的基础数据和理论依据。

气候变暖正严重威胁着水生生态系统中生物多样性的保持。浮游细菌作为水生生态系统的主要分解者，驱动着水体大部分的生物地球化学循环过程。但到目前为止对水体浮游细菌多样性特别是功能基因多样性的研究十分匮乏。本项目采用中宇宙试验系统和原位模拟气候变暖趋势结合的方法，应用高通量测序、环境宏基因组学和功能基因芯片技术，研究全球变化（水体增温）和人类活动（如：大量营养盐的输入）引起的环境问题-微生物结构与功能响应-水体地球化学循环之间的互作关系，探讨水域微生物群落结构和功能对全球变化和水体富营养化的响应过程和机理。我们研究发现无论是长期增温还是水体营养负荷的增加均没有显著改变水体浮游细菌群落分类组成的alpha多样性，然而长期增温和营养盐添加的联合作用却显著增加了中宇宙系统中浮游细菌群落分类组成的beta多样性；尽管相对于随机聚集过程，环境过程在决定浮游细菌群落聚集过程中更为重要，但是长期增温和水体营养盐浓度的升高却显著增加了随机聚集过程的相对重要性。对水体浮游细菌群落功能基因组成的研究发现，增温和营养负荷增加的联合作用下，浮游细菌群落中C、N、P和S循环有关的所有基因的alpha多样性降低，浮游细菌群落中对易降解碳（例如淀粉和半纤维素）具有降解作用的基因的相对丰度明显增加，而对难降解碳（纤维素、几丁质、芳香族化合物和木质素）具有降解作用的基因的相对丰度却保持不变。综上所述，本研究发现在气候变暖和富营养化的联合作用下，水体浮游细菌群落会变得更加不稳定且其会丧失某些生态功能，这势可能会威胁到整个水域生态系统的长期稳定。本研究的结果将有助于深入了解水生生态系统对全球变暖的响应机制，且为丰富水域生态学的理论体系提供一定的基础数据和理论依据。