天山冷环境中微生物系统多样性及分布特征的研究

【摘要】： 低温环境是一个独特的生态系统,它被认为是天然的“菌种保藏中心”。近年来冷环境下微生物的研究取得了长足的发展,尤其是微生物生态学的研究。天山地区具有寒冷、中纬度和高海拔等特点,是研究低温微生物的理想生境。本文选取了天山2米深的雪坑、1.6米深的活动层冻土和3.0米深的永冻土作为材料,应用PCR-DGGE技术研究了其中微生物的群落结构和分布,分析和讨论了它们之间的关系及其与温室气体(CH_4和N_2O)排放的关系。得出了以下主要结果: 1、从天山永冻土中检测出44条细菌序列,在系统进化树上聚类为7大类群:酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。共包含Gemmatimonas、Carnobacterium、Bacillus、Acidobacterium、Arthrobacter、Pseudomonas、Rhodoplanes、Nordella、Herminiimonas、Denitratisoma、Ramlibacter、Flavobacterium、Thermoleiphilum和一些未确定种属的细菌。其中变形菌门包含α、β、γ和ε等4个亚门,是天山永冻土中的优势菌群。在所有检测到的细菌中与冷环境相关的细菌占22.7%(10/44)。此项研究表明天山永冻土特殊的生境孕育了丰富多样的细菌资源。 2、从天山永冻土中检测出28条古细菌序列,在系统进化树上聚类为2大类群:广古菌门(Euryarchaeota)和泉古菌门(Crenarchaeota)。广古菌分为两大支,一是与盐细菌有相关性的广古菌Ⅰ,二是与甲烷菌有相关性的广古菌Ⅱ。泉古菌根据K(o|¨)nneke等(2005)的分类,归为“低温泉古菌”,只在较深的2.5米和3.0米的冻土中检测到。其中广古菌为永冻土中的优势菌群。在所有检测到的古细菌中与冷环境相关的古细菌占67.9%(19/28)。此项研究开启了高山寒区低温古菌的搜寻,为阐明生命低温起源和进化机制提供了更丰富的研究素材。 3、从天山活动层冻土中检测出34条细菌序列,在系统进化树上聚类为4大类群:变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。共包含Burkholderia、Xanthomonas、Sphingomonas、Pararubellimicrobium、Rudanella、Pedobacter、Dyadobacter、Nocardioides和一些未确定种属的细菌。其中变形菌门细菌为活动层冻土中的优势菌群。在所有检测到的细菌中与冷环境相关的细菌占61.8%(21/34),说明了在活动层冻土存在反复性冻融的情况下冷适应细菌能够更好的被保存下来。 4、从天山雪样中检测出40条细菌序列,在系统进化树上聚类为3大类群:变形菌门(Proteobecteria)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。共包含Janthinobacterium、Polaromonas、Acinetobacter、Pseudomonas、Rhodobacter、Nocardioides、Flectobacillus、Hymenobacter和一些未确定种属的细菌。其中变形菌门细菌为雪样中的优势菌群。在所有检测到的细菌中与冷环境相关的细菌占47.5%(19/40)。DGGE图谱表明雪样中的细菌种类与大气中的尘埃有着密切的关系,说明了大气的生物输送对雪样细菌的分布起着重要作用,可能成为一种反映气候环境变化的指标。 5、比较雪样、活动层和永冻层中微生物的群落结构特征,发现它们互相之间几乎没有生物交换。微生物来源方式不同和样品年代的不同可能是造成这一结果的主要原因。 6、在永冻层的上限(1.5米)处,发现存在着许多反硝化细菌(假单胞菌)和产甲烷菌,并且氨态氮和硝态氮的比值(NH_4-N:NO_3/NO_2-N)最大,表明浅层冻土中的微生物具有释放温室气体CH_4和N_2O的潜在能力,全球气候变暖已经开始影响到永冻土中的微生物,微生物也即将对全球气候变暖产生重要的反馈作用。 7、冻土和积雪中存在着一些病原菌。如肉杆菌(Carnobacterium)、伯克氏菌(Burkholderia)和黄单胞菌(Xanthomonas),随着冻土和积雪的融化,这些病原菌将会被释放。 以上研究表明天山地区冷环境中存在着丰富的低温微生物资源,天山低温微生物多样性的研究拓展了低温生物学领域的研究范围,揭示了原核生物在高山环境生物地球化学作用中的分布与功能,为进一步的应用研究提供了理论依据和科学支撑。