塔里木盆地微生物群落結(jié)構(gòu)及其在碳氮元素循環(huán)中的作用.pdf

1、全球荒漠生態(tài)系統(tǒng)為人們提供賴以生存和發(fā)展的基本物質(zhì)，為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維持社會穩(wěn)定和區(qū)域乃至全球提供穩(wěn)定且極為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。其生態(tài)脆弱、單一、大型動(dòng)植物分布受限，因而其微生物群落的動(dòng)態(tài)分布對于我們認(rèn)識荒漠生態(tài)服務(wù)的功能非常重要。塔里木盆地是我國非常典型的荒漠生態(tài)系統(tǒng)，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的組成、變化及其在碳氮元素循環(huán)中的作用有待于進(jìn)一步闡明。為此，我們測定塔里木盆地荒漠土壤理化性質(zhì)、高通量測序分析土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化、以及分離培養(yǎng)微

2、生物，從而深入了解塔里木盆地土壤中微生物的重要代表群落組成及其在碳氮元素循環(huán)過程中的作用。
　　1.塔里木盆地荒漠土壤理化性質(zhì)
　　我們從和田和沙雅六個(gè)采樣點(diǎn)收集土壤樣品共18份。檢測每份樣品的電導(dǎo)率、總碳、可溶性碳、總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、交換性鉀、交換性鈉、交換性鈣和交換性鎂的含量，以及土壤pH值。數(shù)據(jù)表明土壤貧營養(yǎng)、多為鹽堿土。通過雙因素方差分析(ANOVA)發(fā)現(xiàn)兩地土壤樣品中總碳、可溶性碳、硝態(tài)氮、可溶性鈣存在顯著不同

3、。
　　2.宏基因組分析荒漠土壤微生物群落結(jié)構(gòu)
　　為了系統(tǒng)地認(rèn)識土壤中微生物群落的組成、豐度及系統(tǒng)發(fā)育。18份土樣通過宏基因組測序產(chǎn)生高質(zhì)量reads平均為39，000，000-46，000，000條，長度大小150bp。其中85％的reads通過質(zhì)控，用于后續(xù)分析。我們利用QIIME內(nèi)置ULCUST對宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，樣品平均獲得6375OTUs，Chao1指數(shù)為25418個(gè)，α多樣性指數(shù)大于8，樣品物種豐富，物種多

4、樣性高。
　　我們利用雙因素方差分析(ANOVA)對采樣點(diǎn)、采樣區(qū)域以及二者之間對土壤微生物物種多樣性影響進(jìn)行相關(guān)性分析，無顯著影響(p＞0.05)。
　　結(jié)合宏基因組測序數(shù)據(jù)，我們用MetaPlAn2軟件分析微生物域、門、綱、目、科、屬、種系統(tǒng)發(fā)育OTU的組成、豐度、系統(tǒng)發(fā)育。數(shù)據(jù)表明土壤中主要以細(xì)菌為主（平均豐度89.72％），也有較少比例的古菌（平均豐度7.36％），真核生物（平均豐度2.21％）我們發(fā)現(xiàn)變形菌門（Pr

5、oteobacteria）、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門（Firmicutes）等為重要代表類群。而古菌域(Archaea)中廣古菌門（Euryarchaeota）為主要代表。分析不同樣品中微生物種水平的相關(guān)性(R2=0.6～1.0)發(fā)現(xiàn)土壤樣品間的微生物物種相關(guān)性高。進(jìn)一步說明塔里木盆地微生物群落組成無地域差異。
　　3.宏轉(zhuǎn)錄組分析荒漠土壤微生物群落結(jié)構(gòu)
　　為了系統(tǒng)地認(rèn)識活躍的微生物群落組成。18

6、份土樣通過宏轉(zhuǎn)錄組測序產(chǎn)生高質(zhì)量reads為13，000，000-37，000，000條reads，長度為200nt，其中87％的reads通過質(zhì)控用于后續(xù)分析。數(shù)據(jù)表明不同樣品中細(xì)菌、古菌、真細(xì)菌、植物類病毒的基因轉(zhuǎn)錄活性存在很大不同。細(xì)菌在所有樣品中最活躍(相對豐度為90.48％)，真細(xì)菌和植物類毒體只在B1樣品中最活躍(相對豐度為77.83％)，古菌在A2、B1、C2、C3和D3樣品中最為活躍（相對豐度為12.29％～39.07％

7、）。比較系統(tǒng)發(fā)育門水平，所有樣品中變形菌門的基因大量轉(zhuǎn)錄，而放線菌門的基因也有少量轉(zhuǎn)錄。
　　4.嗜鹽微生物是塔里木盆地最活躍的物種
　　分析土壤中排名前10的微生物活躍物種進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，嗜鹽微生物基因有大量轉(zhuǎn)錄。利用ANOVA分析發(fā)現(xiàn)不同樣品的微生物活躍種水平相關(guān)性存在顯著差異(p-value＜0.01)，這表明土壤樣品間活躍物種呈現(xiàn)高度多樣性。
　　為了研究嗜鹽微生物對塔里木盆地荒漠土壤的分子適應(yīng)性，我們對Halo

8、bacterium sp.DL1和Halomonas elongate DSM2581排名前500個(gè)功能基因表達(dá)進(jìn)行富集。數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)激蛋白相關(guān)基因大量轉(zhuǎn)錄。這些數(shù)據(jù)說明嗜鹽微生物可能通過提高應(yīng)激蛋白的表達(dá)而適應(yīng)高熱、干旱的極端環(huán)境。
　　5.分析塔里木盆地土壤中活躍的氮循環(huán)途徑
　　分析塔里木盆地土壤宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，富集各樣品中KEGG代謝通路中氮循環(huán)相關(guān)基因的表達(dá)量。分析表明，土壤中氮循環(huán)相關(guān)基因有高的轉(zhuǎn)錄活性，主要以異化硝

9、酸鹽還原途徑、反硝化途徑和硝化途徑為主，變形菌門、厚壁菌門、硝化螺旋菌門、奇古菌門、廣古菌門、放線菌門、泉古菌門、擬桿菌門為氮循環(huán)的主要貢獻(xiàn)者，屬水平上，嗜鹽細(xì)菌和嗜鹽古菌積極參與氮循環(huán)途徑。
　　6.分析活躍的CO2固定途徑
　　分析塔里木盆地土壤宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，富集各樣品中KEGG代謝通路上與CO2固定途徑相關(guān)基因的表達(dá)量。分析表明我們發(fā)現(xiàn)塔里木盆地CO2固定途徑主要以C4-雙羧酸循環(huán)、卡爾文循環(huán)、還原性三羧酸循環(huán)為主。變