【摘要】：泥炭是植物殘體完全或部分礦化形成的沼澤地產物,在全球碳循環(huán)中扮演著重要的角色。雖然泥炭地僅占全球土壤面積的3%,但經過植物光合作用吸收CO_2從而存儲30%的全球土壤碳匯,是地球上最有效的自然碳匯。泥炭地也會通過緩慢的有機質降解向大氣釋放CO_2和甲烷,其作為甲烷源也受到了廣泛關注。泥炭地中的產甲烷菌主要是隸屬于廣古菌門的甲烷微菌目和甲烷八疊球菌目,此外還包括奇古菌門,泉古菌門和深古菌門。目前這些古菌類群的純/富集培養(yǎng)物和基因組數(shù)量有限,特別是豐度較高的深古菌門,其代謝途徑和生態(tài)功能鮮有報道,嚴重制約了人們對古菌參與泥炭地生物地球化學循環(huán)的認識。本研究以數(shù)據庫中神農架大九湖泥炭地來源的古菌核苷酸序列為切入點,通過物種注釋和全球其他泥炭地的群落對比,結合高通量測序發(fā)現(xiàn)并驗證其群落組成特征;利用宏基因組測序和基因組分箱技術在群落水平探討泥炭地古菌生態(tài)功能及生態(tài)適應機制,在個體層面上挖掘了古菌代謝途徑及進化特征,為泥炭地古菌介導地球元素循環(huán)的認識開拓了新的視野。本論文得到的主要進展如下:1)大九湖泥炭沉積物中的古菌類群以深古菌門為主,產甲烷功能的古菌類群豐度極低,有機質含量、TOC、pH及含水率對古菌的分布具有顯著影響克隆序列的重新注釋表明大九湖泥炭沉積物中古菌具有深古菌門豐度高、無產甲烷菌的特征,顯著區(qū)別于全球其他泥炭地的古菌群落組成。而高通量測序證實了這樣的結論,發(fā)現(xiàn)大九湖泥炭深古菌門豐度高達92.1%,產甲烷菌豐度不足0.2%。深古菌門又可劃分為13個亞類群,亞類群MCG5b以38.5%的豐度遠遠高于MCG20(23.9%)和MCG6(11.4%)。大九湖泥炭中古菌數(shù)量在10~5-10~7拷貝數(shù)/克沉積物,而鉆孔中部的基因拷貝數(shù)最高,底部最低。高通量測序數(shù)據多樣性分析發(fā)現(xiàn)泥炭中古菌多樣性較低,并隨著采樣深度的增加而減少。OTU水平的多元方差分析和分類學水平的冗余分析均表明有機質含量、TOC、pH及含水率對鉆孔中古菌群落的分布具有顯著影響。2)大九湖泥炭地中的古菌參與植物多聚物降解并產生CO_2和CH_4的完整過程,并對泥炭環(huán)境具有多種抗逆機制,而深古菌具有固氮、水解多糖的功能宏基因組測序表明鉆孔中古菌的基因占總基因的9.70%,在單個樣品中的豐度隨著采樣深度的增加而增加。古菌基因主要隸屬于廣古菌門,深古菌門占2.9%,而16S rRNA基因中深古菌門豐度高于廣古菌門和奇古菌門。功能分析發(fā)現(xiàn)古菌基因包含15種固碳,6種固氮和6種磷酸鹽同化基因,同時也包含了植物多聚物降解的纖維素、半纖維素和果膠酶以及小分子有機物的厭氧和發(fā)酵途徑的多種基因,表明古菌參與了植物殘體的整個降解過程。古菌具有抗生素抗性基因、抗氧化基因、分子伴侶、高親和力的鉀離子轉運通道蛋白、緩沖分子代謝基因、重金屬轉運蛋白和氧化還原酶類,體現(xiàn)了古菌對泥炭環(huán)境具有多種適應性。而深古菌具有nifU基因、碳水化合物活性酶CE1和CBM44,說明深古菌參與泥炭環(huán)境的固氮和纖維素的降解過程。3)大九湖泥炭地中的深古菌包含固碳、丙酸降解、亞硝酸鹽還原等功能,并包含真核生物的進化特征大九湖泥炭樣品中獲得5個高質量的深古菌門基因組上隸屬于5個亞類群:MCG5b、MCG6、MCG2、MCG10和MCG13,與其他深古菌門基因組的平均核苷酸相似性介于58.83%-72.02%。這些基因組大小介于1.22 M-3.08 M之間,編碼基因數(shù)量為1296-3218個。功能注釋表明這些深古菌利用Wood-Ljungdahl途徑固定CO_2。細胞膜上的多肽、氨基酸和多糖轉運系統(tǒng)與胞內的蛋白水解酶和多糖水解酶表明深古菌參與泥炭地有機質的降解,完整的丙酸降解途徑表明深古菌與產酸菌可能存在互營養(yǎng)共生,亞硝酸鹽還原酶編碼基因的發(fā)現(xiàn)暗示深古菌可以利用亞硝酸鹽還原進行厭氧呼吸。此外,深古菌門基因組中包含如DNA聚合酶、GTP結合蛋白、內體轉運復合體、泛素修飾系統(tǒng)和寡糖轉運酶復合物等真核生物特征蛋白,為真核起源于古菌的假說提供了支持。以上研究從分子生物學角度探討了大九湖泥炭地的古菌群落組成、生態(tài)功能、生境適應性及進化特征,發(fā)現(xiàn)深古菌門是大九湖泥炭沉積物的主要類群;泥炭中古菌不僅能降解植物殘體、厭氧和發(fā)酵代謝有機小分子,也能同化碳、氮和磷增加泥炭生物量;深古菌具有胞外蛋白和多糖水解能力,此外還具有降解丙酸和還原亞硝酸鹽的功能,并具有真核生物生物的進化特征。以上的研究為推進泥炭地生物地球化學過程的認識開拓了新的視角。
【圖文】：

圖1.1 泥炭地的全球分布圖[22]中國泥炭地資源比較匱乏，據柴岫[1]的不完全統(tǒng)計結果，中國泥炭地面積為4.15×104km2，占國土面積的 0.43%，其中 80%為裸露型，20%為埋藏型。該泥炭地面積占全球總泥炭面積（據《發(fā)展中國家泥炭資源》[26]）的 1%，，位列世界泥炭面積排行榜的第八位。而在 90 年代初期，基于裸露泥炭沉積厚度超過 30 cm

特別是PCR 技術在環(huán)境微生物研究中的應用，人們對古菌的認識得到了極大擴展（圖1.2）。Fuhrman 等人[85]從美國圣地亞哥港口 100-500 m 深的海水樣品中利用引物對 537F 和 1390R 發(fā)現(xiàn)了與泉古菌門和廣古菌門親緣關系較遠的古菌世系，而DeLong, E. F 等人[86]利用引物對 A21F 和 A958R 從海水樣品中發(fā)現(xiàn)了 2 個世系：GroupI 因與嗜熱泉古菌（熱變形菌屬、熱網菌屬和脫硫球菌屬）親緣關系較近而被成為中溫泉古菌，而 GroupⅡ與廣古菌門的富鹽菌屬、熱球菌屬和甲烷八疊球菌屬情緣關系較近。GroupI 就是后來通過核糖體蛋白的串聯(lián)構樹而確定的奇古菌門[87]，其富集培養(yǎng)物的首次獲得于海綿共生體[88]，而首個分離菌株來源于熱帶海洋水族箱（N.maritimus SCM1）[89]，隨后研究人員又從俄羅斯加爾加和美國黃石公園的陸地熱泉富集到加爾加爾加亞硝化球菌[90]和黃石公園亞硝化熱菌[91]，從維也納土壤中富集到了維也納亞硝化球菌[92]，從英國的酸性土壤中獲得了阿伯丁亞硝化桿菌[93]。初古菌門富集培養(yǎng)物是 2008 年從黃石公園的熱泉沉積物獲得的[94]
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：Q933;X172

【參考文獻】

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本文編號：2661263