海洋蓝细菌与蓝细菌病毒相互作用对溶解有机氮释放的影响

The complex interactions between marine cyanobacteria and cyanophages play important roles in marine ecosystem and biogeochemical cycles. Cyanobacteria are essential primary producers and nitrogen fixer in the ocean. The interactions between cyanobacteria and cyanophages shortcut the organic nitrogen storage in cyanobacteria cells and contributed to marine DON pool. Viruses induced mortality of marine cyanobacteria, releasing large amount of dissolved organic nitrogen (DON) into environment. Auxiliary metabolic genes (AMGs) in cyanophages mediated the metabolism of cyanobacteria thus affect the composition of dissolved organic matter when they were affected by cyanophages. Here we attempt to analyses the chemical composition of metabolic products during the infection and lyses processes of cyanobacteria and cyanophages and estimate the contribution to marine DON pool of these processes. Quantification of the production rate of specific DON components and viral-induced mortality of cyanophage will be further applied in mathematical models. With the combination of qualitative and quantitative analyses of viral-induced DON production from marine cyanobacteria, we try to emphasize the importance of cyanobacteria and cyanophages in the marine ecosystem.

海洋蓝细菌和蓝细菌病毒是海洋微生物的典型代表类群，它们之间存在着复杂的相互作用关系，在海洋生态系统和生物地球化学循环中发挥着重要作用。蓝细菌是海洋中重要的初级生产者和固氮生物，由于病毒的介入，有机氮从蓝细菌细胞释放进入环境从而贡献于海洋溶解有机氮库。病毒导致蓝细菌大量死亡，释放大量溶解有机氮进入海洋环境。蓝细菌病毒还能通过辅助代谢基因调控蓝细菌的生理代谢，影响蓝细菌胞内的代谢通路和物质合成，从而改变病毒裂解蓝细菌释放产物的组成。蓝细菌和蓝细菌病毒复杂的相互作用影响海洋溶解有机氮库化学组成与总量的动态平衡。本项目将通过对病毒侵染和裂解蓝细菌释放溶解有机氮组成成分的分析，结合对溶解有机氮释放速率的测算以及原位海区蓝细菌病毒裂解率的测算，综合评估蓝细菌和蓝细菌病毒相互作用对海洋溶解有机氮库的贡献，以期阐明蓝细菌和蓝细菌病毒相互作用对海洋氮的生物地球化学循环有着特殊且至关重要的影响。

海洋超微型蓝细菌及其病毒之间的相互作用关系是复杂多变的，它们的高度多样性和在各类海洋环境中的广泛分布，决定了它们的相互作用关系对海洋环境的生态与物质循环过程有着重要的影响。本项目在这一背景下，以海洋超微型蓝细菌及蓝细菌病毒作为主要研究对象，重点探究其相互作用关系对海洋溶解有机氮库的影响。根据研究计划和实际研究过程的调整，项目最终完成的研究内容以有限的海区采样为基础，分离获得野生超微型蓝细菌和蓝细菌病毒株系，建立超微型蓝细菌-蓝细菌病毒模式培养体系；以模式培养体系开展超微型蓝细菌-蓝细菌病毒相互作用培养实验，分析蓝细菌病毒在侵染和裂解其宿主蓝细菌的不同过程中产出物质的化学组成；对分离所获的超微型蓝细菌株系开展基因组测序，从基因组分析中获得氮的相关代谢通路与途径信息。项目主要完成成果有：1. 分离纯化并保藏蓝细菌菌株218株，完成其中194株打基因组草图测序；收集不同盐度梯度表层水体病毒样品5份，完成样品DNA提取和保藏；2. 以模式超微型蓝细菌-蓝细菌病毒体系为模板，开展蓝细菌病毒侵染-裂解培养实验，最终侵染-裂解过程中，超微型蓝细菌、蓝细菌病毒丰度，营养盐及代谢物的产出，开展定量、定性分析；3. 在海区缺氧发生的调查中，发现蓝细菌种群丰度和群落组成对缺氧的适应与群落调节特殊机制。项目探索了超微型蓝细菌及蓝细菌病毒在海洋环境中的多样性和生态作用，从物质组成和潜在功能两个角度探讨二者相互作用关系对海洋溶解有机氮库的可能贡献，以典型海洋微生物类群作为切入点，初步探讨微生物在海洋碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环过程中发挥的作用与功能。项目完成过程中，同时积累了高多样性的研究样本与模式培养体系，为后续开展更深入细致的研究工作奠定基础。