矿山酸性废水真核微生物多样性与群落功能研究

Acid mine drainage (AMD) is a worldwide environmental problem and an important model system for the study of life in extreme environments. The last decade has witnessed a great progress in the study of the diversity, community functions and evolution of prokaryotic microbes in AMD systems. However, the eukaryotes have not been extensively investigated while they play an important role in the composition and functions of AMD community. In this study, we will perform a comprehensive analysis of the 18S rDNA sequences and geochemical parameters from diverse AMD sites across China to gain insights into the diversity, ecological patterns and associated driving factors of these microorganisms. Comparative metatranscriptomic analyses will then be conducted on representative communities to build a reference gene set of AMD planktonic eukaryotic microorganisms. Community gene expression profiles and their responses to the variations of biogeography and environmental variables will be explored. With these species and functional datasets, a modeling approach based on artificial neural networks (ANN) will be applied to predict the microbial community composition and functional structure in response to environmental changes in the AMD systems. These efforts will provide novel insights into the diversity, community functions and adaptive mechanisms of eukaryotes in extreme AMD environments.

矿山酸性废水（AMD）是一个全球性的环境问题，同时也是极端环境生物学研究的重要模式系统。最近十余年，基于16S rRNA基因高通量测序和组学方法的研究极大地拓展了对AMD中原核生物多样性、群落功能和进化的了解。然而，作为群落重要组分并执行重要生态系统功能的真核微生物获得的关注极其有限。本项目将利用高通量测序技术，大规模解析我国不同地理区域AMD中真核微生物群落的18S rDNA序列，结合地球化学参数和地理距离数据，深入揭示这些真核生命的多样性、生态分布格局及其主要驱动因子；在此基础上，通过代表性样品真核群落的宏转录组测序，生成AMD浮游真核微生物的参考基因集，探求其表达特征以及对生物地理和环境变化的响应；最后，基于以上物种和功能数据集，利用人工神经网络方法，构建AMD环境中真核微生物群落组成和功能结构的预测模型。本研究将深入揭示极端AMD环境真核微生物的多样性、群落功能及其适应性机制。

矿山酸性废水（AMD）是一个全球性的环境问题，同时也是极端环境生物学研究的重要模式系统。最近十余年，基于16S rRNA基因高通量测序和组学方法的研究极大地拓展了对AMD中原核生物多样性、群落功能和进化的了解。然而，作为群落重要组分并执行重要生态系统功能的真核微生物获得的关注极其有限。本项目的主要内容如下：（1）AMD矿区嗜酸真菌的分离与鉴定。要真正了解这些嗜酸微生物的生理、生态及其在AMD系统中扮演的功能角色，包括群落内的碳循环等，获得它们的纯培养物是非常有必要的。我们利用多种特异性培养基，从凡口铅锌矿、云浮硫铁矿等AMD矿区的环境样品中分离到了一批具有不同程度嗜酸能力的微生物，并测定了一系列生理生化指标以及相关酶活性以充分了解这些嗜酸微生物所具有的代谢潜能及其生态作用。（2）研究垂直分层的含硫尾矿中病毒群落随深度的变化规律以及中国南方AMD底泥中病毒群落的生物地理格局及生态驱动因素研究。我们通过AMD分层底泥以及南方90个地理分布的底泥样品研究了AMD相关环境的病毒生态学，从病毒的角度去了解相关类群在环境中的生态位以及扮演的生态角色，极大地促进了我们对环境微生物群落的了解。（3）在AMD底泥中发现新的微生物类群。我们基于五个来自酸性矿山废水底泥的宏基因组拼接得到的基因组报导了一个新的古菌科的基因组特征。这项研究拓展了我们对于Parvarchaeota多样性、代谢潜能和进化历史的了解。（4）基于基因组解析宏基因组学方法的热原体新目“Candidatus Sysuiplasmatales”的生态角色与进化研究，这些结果拓展了我们对极端环境古菌的认识。（5）应邀为著名学术期刊Nature Reviews Microbiology撰写极端环境微生物多样性的综述文章。系统分析和总结了近年来国际微生物生态学界在极端环境微生物所取得的主要研究进展。文章最后阐述基于这些简单模式系统的研究所推断的生态学原理，可望预测其他较低约束性生态系统的特征；因此，一个对极端环境微生物生态与进化的完整认识，将最终加深我们对更复杂自然群落以及全球生态系统的理解。