富营养化淡水湖泊中蓝藻-附生微生物群体的碳氮循环潜力的微生物组学研究

In this study, we will use Taihu Lake as the objects to investigate the mechanism of hydrosphere microbial communities involved in global carbon and nitrogen cycle from the aspects of metagenomic, ecology metabolism and environmental factors. The regulation mechanism of C/N element balance and the response mechanism to environmental factors in microbial population were studied by analyzing the intrinsic functional properties of the communities involved in the synthesis, transport and degradation of lipid metabolism and toxic secondary metabolites in micro-algae/epiphytic bacteria. The results of the study will enrich and improve the understanding of how hydrosphere microbial communities in the global biochemical cycle, acid rain, climate change and ecosystem regulation.

本研究以太湖水华蓝藻微生物群落为研究对象，在申请人团队连续十年采集的太湖水华微囊藻群体样本及理化数据的基础上，进一步采集太湖水体中水柱的不同层面和一天中不同的时间的微生物组学样品，结合宏基因组学、宏转录组学、生态代谢组学研究手段进行微生物群体中C、N元素循环的微生物组学研究。通过分析微囊藻-附生细菌微群落中参与脂质代谢和毒素等次生代谢物质的合成、转运和降解相关的群体固有功能属性，研究微生物群体内部的C/N元素平衡的调节机理以及对环境因子的响应机制。本研究成果必将充实和完善水圈微生物参与碳、氮生物地球化学循环以及生态系统调节等方面研究的理论成果。同时，为研究湖泊生态系统中群落的固有特性、时空分布特征、环境限制因子、以及生态作用等方面提供研究基础，更进一步丰富湖泊生态学研究。

本研究以太湖水华蓝藻微生物群落为研究对象，在申请人团队连续十年采集的太湖水华微囊藻群体样本及理化数据的基础上，进一步采集太湖水体中水柱的不同层面和一天中不同的时间的微生物组学样品，结合宏基因组学、宏转录组学、生态代谢组学研究手段进行微生物群体中C、N元素循环的微生物组学研究。研究了营养状态与浮游微生物群落结构及其代谢潜力的关系，确定了淡水湖泊环境中负责碳、氮、硫生物地球化学循环的主要类群，探索了存在营养偏好关键微生物类群在不同营养状态湖泊中的基因组特征。蓝藻在富营养生态系统中占主导地位，主要驱动该生态系统的好氧呼吸、发酵、氮同化、氮矿化、同化硫酸盐还原和硫矿化过程。而在中营养-贫营养生态系统中，放线菌、变形菌（α-、β-和γ变形菌门）、疣微菌门和浮霉菌门可能介导了上述代谢过程，并且这些类群的相对丰度明显高于富营养生态系统。此外本研究从蓝藻附生细菌中成功分离培养了一种新鞘氨醇杆菌，并对这株降解微囊藻毒素（MCs）的新鞘氨醇杆菌THN1进行了测序以及一系列碳氮循环相关研究。基于比较基因组学分析，发现所有具有降解作用的新鞘氨醇杆菌共有碳代谢，氮代谢，能量代谢和细胞活动代谢，但在降解通路中存在群体特异性差异。其中，参与到基本碳、氮、磷、硫、能量和细胞运动代谢通路的基因大部分都位于染色体上，而参与到降解代谢通路中的更多的基因位于质粒上。另外，与降解芳香族化合物相关的单加氧酶和双加氧酶的丰度和分布在不同的细菌中存在差异。因此我们推测，环境的异质性影响基因组组成，而其代谢功能的多样性来源于外界环境所暴露的化合物。为了研究THN1降解MC-LR的能力以及可能的调节机制，我们研究了培养基中碳浓度变化对降解速率的影响。研究结果显示，MCs可能为细菌提供氮和碳的部分来源，从而引起碳氮代谢相关代谢通路下调。