《典型海域微生物的群落演变、共存模式及其生物地球化学意义》

该项目所属学科为海洋生物学。

海洋微生物在全球生物地球化学循环中发挥核心作用。然而,绝大多数海洋微生物的生态功能未被认知,且在自然变化和人为活动的双重影响下,海洋微生物的群落结构及生态功能正发生着显著改变,打破了海洋生态系统的原有平衡。探究海洋微生物的环境响应模式及驱动元素循环的机制,对理解和预测海洋生态系统的动态变化趋势具有重要科学意义。课题组选择河口、边缘海、大洋等典型海洋生境,系统开展了微生物群落的环境响应、共存模式及在生物地球化学循环中的作用等方面研究,获得了如下重要的科学发现:

1.阐释了典型海域微生物的群落演变及共存模式。发现南太平洋环流区表层海水的细菌和古菌群落结构沿极端寡营养的环流中心到环流外缘存在明显的演变,营养盐尤其是氮盐是导致该区域微生物群落空间异质性的重要因素;解析了盐度、溶解氧和营养盐三重环境梯度以及分散限制作用下珠江口微生物的群落形成机制;鉴定并命名了海洋重要浮游古菌Marine Group I(MG-I)的一个新亚类(ν),发现不同MG-I亚类具有明显的栖息地偏好性;发现中国北部边缘海不同区域(渤海、北黄海、南黄海和东海北部)沉积物具有各自特异的微生物群落组成,沉积物来源是主要控制因素;揭示了中国近海沉积物中微生物种属间“近缘相依”的共存模式,发现硫、氮循环内部及之间均存在潜在的耦合过程。

2.发现了细菌密度感应对边缘海颗粒有机碳降解的新调控机制。发现中国边缘海颗粒有机碳中普遍存在高丝氨酸内酯(AHL)型密度感应信号分子,其化学结构呈现高度多样化;颗粒有机碳及其附着菌株中的信号分子具有一致性,这些信号分子主要来自于变形菌门细菌;添加外源AHL信号分子或密度感应淬灭酶(AHL信号分子降解酶)均可调控菌株对多种大分子有机物降解酶(如碱性磷酸酶等)的分泌,表明细菌密度感应对颗粒有机碳降解具有调控作用。

3.揭示了中国边缘海氮循环功能微生物的群落演化及生态意义。发现厌氧氨氧化细菌在河口过度区呈现高度多样化,演化出多个新的系统进化分支,其群落组成随盐度和硝酸盐浓度变化显著;珠江口沉积物中厌氧氨氧化细菌的丰度普遍高于中国北部边缘海,表明该区域的厌氧氨氧化作用可能更为强烈;发现中国东部边缘海沉积物可能以反硝化作用为主导氮循环过程,体现为反硝化细菌的丰度高于厌氧氨氧化细菌和氨氧化微生物;氨氧化细菌是中国东部边缘海沉积物中氨氧化微生物的优势类群,其群落结构随纬度变化明显且与硅酸盐密切相关,深层缺氧沉积物中演化出特殊的氧气高亲和性氨氧化微生物。

上述研究成果为深入理解海洋微生物的多样性、环境响应及生物地球化学作用提供了重要资讯,共形成相关SCI论文30余篇,8篇代表性论文发表在FEMS Microbiol Ecol,J Geophys Res-Oceans,Microb Ecol,Front Microbiol,Syst Appl Microbiol,PLoS ONE等微生物和海洋学领域主流期刊上,被SCI论文他引162次,单篇被他引次数最高为34次。

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