我国近海典型水域破囊壶菌的多样性及其在碳、氮生物地球化学循环中的作用

Structure and dynamics of microorganisms play an important role in the carbon and nitrogen recycling. Recent advances in molecular methodology and genomics have significantly improved our knowledge of ocean nutrient cycling mediated by eukaryotic microorganisms. Thraustochytrid is a kind of unicellular heterotrophic protist widely distributed in coastal waters, which can secrete extracellular enzymes to decompose ocean organic matter in seawater, and is essentially involved in biogeochemical cycling. Based on the preliminary systematic investigation, we aim to explore the abundance, structure, and temporal and spatial diversity of thraustochytrids along the environmental gradients, and reveal the interactions. Simultaneously, we will elucidate the molecular mechanism of the carbon and nitrogen cycles, and explore the potential impact of environmental factors and human activities on the community of thraustochytrids and inherent biogeochemical cycles. Finally, through correlation analyses of community changes and expression of key functional genes, we will assess the ecological functions of various taxa of thraustochytrids. The ultimate goals are to acquire comprehensive understanding of the role of thraustochytrids in carbon and nitrogen biogeochemical cycling in coastal waters, and establish a framework for the driving mechanism of hydrosphere microorganisms on global ecological recycling.

微生物在生态系统碳、氮循环中起着非常重要的作用。近年来，分子生物学和基因组学的发展促进了我们对于真核微生物所参与的海洋生物地球循环的认识。破囊壶菌是一类广泛分布于近海水域的单细胞异养原生生物，可以通过分泌多种胞外酶来分解海水中的有机质，参与生物地球化学循环。本课题将在前期调查和研究的基础上，从不同尺度研究我国近海典型水域破囊壶菌的丰度、多样性和群落组成随时间、空间、生境类型和环境梯度的变化，并揭示其机制。同时，结合基因组学研究结果，阐明破囊壶菌参与碳、氮生物地球化学循环的分子机理，探究环境因子和人类活动对破囊壶菌群落及其生物地球化学功能的潜在影响。最后，通过对破囊壶菌群落变化及其关键功能基因表达动态的联合分析，探索不同类群的破囊壶菌生态功能的潜在差异，全面认识破囊壶菌在近海水域碳、氮生物地球化学循环过程中的作用，为进一步理解水圈微生物驱动地球元素循环的机制提供新的理论基础。

微生物在生态系统碳、氮循环中起着非常重要的作用。近年来，分子生物学和基因组学的发展促进了我们对于真核微生物所参与的海洋生物地球循环的认识。破囊壶菌是一类广泛分布于近海水域的单细胞异养原生生物，可以通过分泌多种胞外酶来分解海水中的有机质，参与生物地球化学循环。本项目按照预定计划，首先利用非培养方法从时间、空间、生境等多尺度对我国近海典型水域破囊壶菌的丰度、多样性和群落组成进行研究，揭示出近海破囊壶菌变化的主要环境驱动因子及其生态效应。此外，本项目从我国南方五省近海海域和北方青岛近海海域分离得到大量破囊壶菌菌株，并从中挑选有代表性的具有不同碳、氮代谢特点的破囊壶菌菌株，按照预定计划利用基因组学和转录组学的方法检测和比较了它们的碳、氮代谢功能基因，揭示了不同破囊壶菌在生态功能和生物地球化学功能方面的潜在差异。在完成上述研究计划的同时，本项目还通过野外调查，初步揭示了破囊壶菌在我国南海开放海域垂直剖面上的碳储规模，推测它们很可能将大量生物碳输送至深海长期储存，从而对海洋碳汇起到关键作用；通过对不同破囊壶菌生长特性和元素组成的详细分析，进一步认识了其储碳和储氮能力，并评估了这些菌株的胞外多糖分泌特性和有机质利用特性，深化了对破囊壶菌碳氮循环功能认识；通过国际合作，对近海破囊壶菌及真菌、细菌、微藻等主要微生物群体进行了多年高频时间序列的联合观测分析，揭示了破囊壶菌独特的年变化模式和生态位分异，阐明了不同生态型破囊壶菌在海洋微生物食物网介导的碳氮循环中所起的多方面关键作用。