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海洋和极地是地球上重要的生态系统。海洋覆盖地球表面积的71%,温度、盐度、洋流、光照强度等理化因素影响着海洋的动态变化;极地常年被积雪覆盖,气温极低,几乎没有植物生长,对气候变化特别敏感。在这复杂的生态环境中,微生物是食物链的重要组成部分,在能量流动和物质循环包括碳循环、氮循环、硫循环等中发挥着十分重要的作用。利用宏基因组测序技术,研究微生物的群落变化和生态学功能对于阐述全球物质化学循环具有重要意义。此外,利用宏基因组数据库通过计算机模拟,可大规模的探究多种微生物之间的相互作用,也可通过典型的共培养实验验证微生物之间的互作类型。许多海洋细菌已经进化到能够在富营养或低营养浓度中最适生长,使富营养菌和寡营养菌在海洋不同的营养生境中生存。而当面对相同的高分子量有机质时,富营养菌和寡营养菌如何在寡营养的开阔大洋表层海水中相互作用和共存,目前仍不清楚。本文中,首先研究了中国南海、南极冰川以及印度洋表层海水中的微生物群落结构组成、地理学分布和对环境的响应,阐述了微生物的生态学功能。其次,以富营养菌Pseudoalteromonas sp.SW0106-04（P.sp.W04）与寡营养菌Brachybacterium sp.SW0106-09（B.sp.Y09）为研究对象,通过生理、生化实验以及基因组分析,阐述了这两株菌的营养类型及对高分子量底物的利用差异,通过长期共培养研究,初步提出了二者的共存模式,并进一步结合吸收速率和转录组分析,揭示了富营养菌和寡营养菌在表面海水中的共存机制。1.中国南海水体垂向和水平方向上微生物地理分布及影响因素微生物在三维连续的海洋生态系统中表现出不同的生物地理学分布模式。目前,普遍研究的微生物地理分布模式是距离衰减模式,它表示不同群落在一定地理距离内物种组成相似性的变化。海洋中垂直方向上的下降流和上升流以及水平方向的洋流都会导致微生物的混合。但是,尚不清楚该地区微生物距离衰减模式沿垂直深度和水平距离之间是否存在差异,且导致这种差异的影响因素也未知。通过对细菌16S rRNA基因测序,我们研究了南海水平和垂直方向上的细菌距离衰减模式。沿水平地理距离（可达1000 km）,每个海水层位的细菌群落都未表现出明显的距离衰减模式,而垂直深度（可达4 km）对细菌群落变化影响较大。进一步,我们发现每个水层区域产生的同质性水团具有类似的物理化学性质;不同层位的水团差异明显,而水团混合的限制可导致微生物的扩散障碍。因此,不同层位的细菌群落在垂直深度上受不同性质水团的影响,但在水平方向上没有受到明显影响。此外,冗余分析分析表明,环境因子可驱动细菌群落变化,不同海水深度的细菌群落受到环境因子显著影响。显然,细菌群落沿垂直距离的变化要比沿水平距离的变化大得多。结果表明,尽管水平距离远远大于南海开阔海域的垂直距离,细菌群落在中等空间尺度上的距离衰减关系与垂直深度有关,而与水平距离无关。2.通过宏基因组分析重建南极联合冰川地区生态系统南极洲被多个大型冰川覆盖,有着不同的极端条件,这里的微生物参与各种生物化学过程。以往对南极环境的研究大多集中在不是十分极端的亚南极和南极半岛海域,这些地方有不同的生物群落。例如,在南极湖泊、池塘和沿海地区发现了不同水生微生物。在极度干旱的南极干谷,来自不同岩屑和土壤中的特殊微生物的群落功能已经被报道。然而,人们对高海拔冰川地区的微生物群落几乎没有了解,这些微生物对极端气候的耐受机制也几乎一无所知。南极联合冰川靠近南极点,由于高辐射和低温,这里对生命的生存是一个具有挑战性的环境。利用宏基因组分析方法,通过碳、氮、硫代谢途径的重建,分析了联合冰川上功能性的微生物生态系统。这里细胞数目极低,以细菌为主。固碳类群主要由光能自养菌（Cyanobacteria）和化能自养菌（主要是Alphaproteobacteria 类群:Bradyrhizobium、Sphingopyxis和Nitrobacter）组成。主要固氮类群是Halothece（Cyanobacteria）、Methyloversatilis 和 Leptothrix（Betaproteobacteria）。这些生产者可为其他异养微生物如Dechloromonas（Betaproteobacteria）和Thermoleophilum（Actinobacteria）的生长提供有机碳和有机氮。此外,许多与高辐射、低温等极端环境适应相关的代谢途径和基因被检测,这表明微生物群落已经适应并能够在这种严酷的环境中生存。这些结果为联合冰川地区的微生物功能生态学提供了进一步的解释,增进了我们对南极高海拔生态系统中微生物群落及其与生物地球化学循环之间联系的理解。3.印度洋表层海水中细菌群落结构及可培养产酶细菌及其胞外酶多样性季风驱动的环流可引起开阔大洋中的上升流,将营养物质引入上层区域（尤其是在表层海水）,这些营养物质可以进行大规模的水平运输。此外,表层海水中充足的阳光可以进行光合作用和浮游植物的生产。很明显,这些活跃的过程也会影响微生物的产生和运动。这些微生物在复杂有机物的矿化过程中起着至关重要的作用。高分子量生物有机质,如蛋白质、脂类、多糖,是初级产物有机质的重要组成部分,必须通过胞外酶水解成小分子（小于约600道尔顿）才能被微生物吸收和代谢。而微生物降解高分子量生物有机质是一个胞外过程。因此,对微生物分泌的胞外酶的研究是必要的。首先,对印度洋表层海水的41个站位的细菌群落进行了多样性分析。共包括37个细菌门,占有绝对优势地位的是Proteobacteria,平均占比为76.06%。此外,Bacteroidetes、Cyanobacteria、Actinobacteria 和 Firmicutes 在所有样品中占主要地位。聚类分析发现中印度洋表层海水细菌与西南印度洋表层海水细菌并不聚类成簇,群落结构显著不同。此外,我们分离了 53株可培养细菌,共鉴定出33株不同的菌株,属于4个门,13个属。其中,Proteobacteria是主要门类,Vibrio和Pseudoalteromas是主要属。对来自不同属的14株菌对8种有机质底物的胞外酶活性进行检测发现,能够被最多菌株降解的底物是海藻酸钠,其次是DNA。P.sp.W04可降解DNA、蛋白质、海藻酸钠、淀粉和几丁质,而且具有较强的降解能力,可作为生产者来研究胞外酶介导的公共营养物的利用;而B.sp.Y09降解底物最少,可作为微生物相互作用过程中的偷盗者（cheater）,这为进一步研究不同微生物之间的相互作用提供了一个前提与基础。4.印度洋表层海水中富营养菌P.sp.W04与寡营养菌B.sp.Y09的营养类型分析及共存现象研究细菌胞外酶分解产生的小分子物质作为一种公共产物（public goods）,可被生产者和周围不产生胞外酶的偷盗者利用。由于细菌在自然界从来都不是单独存在,且在自然环境如土壤和海水中较高的细菌物种丰富度,因此,细菌之间会进行相互作用,不仅是与同一物种共存,也更频繁地与不同的物种共存。然而,通过公共产物对两个不同细菌物种之间的相互作用与共存报道较少。根据不同的营养策略,海洋细菌可分为富营养型和寡营养型。富营养菌能够分泌多种胞外酶。寡营养菌通常不能分泌胞外酶来降解高分子量有机质。在流动的海洋系统中,当一些产酶的富营养菌出现时,附近寡营养菌可以作为偷盗者,利用富营养菌胞外酶降解高分子量有机物的水解产物。然而,当面对相同的高分子量有机质时,富营养菌和寡营养菌如何在寡营养的开阔大洋表层海水中相互作用和共存,目前仍不清楚。我们对两个营养类型截然不同的细菌P.sp.W04与B.sp.Y09进行了共培养研究,首次提出了富营养菌和寡营养菌在表面海水中的共存模式。首先,我们对分离自从西南印度洋的寡营养表层海水的P.sp.W04和B.sp.Y09进行了营养类型分析。不同营养梯度培养实验表明,菌株W04有快速生长和快速衰亡的特性;而菌株Y09虽然生长速度慢,但可以稳步生长,且在营养浓度较低时仍稳步生长。此外,菌株W04基因组较大,胞质外蛋白和双组分系统比例较高,能够产生多个胞外蛋白酶。相比之下,菌株Y09基因组较小,只有一个16S rRNA基因,几乎不产胞外酶。因此,菌株W04具有富营养的生活方式,而Y09具有寡营养的生活方式。高分子量底物培养实验表明,菌株W04可以分泌胞外酶来降解高分子量底物,并可单独利用这些底物;而菌株Y09不能分泌胞外酶,不能单独利用高分子量底物。短期共培养研究发现,尽管菌株Y09单独培养时不能利用高分子量底物,但可以利用菌株W04胞外酶的降解物,供自己生长。此外,在短期的富营养共培养过程中,不同菌株之间无法达到共存平衡态。但在低营养浓度的长期共培养中发现,随着营养物质的脉冲输入,菌株W04和菌株Y09之间可形成共存状态下的震荡平衡。最终,我们提出了富营养菌和寡营养菌之间存在一种振荡共存模式。5.印度洋表层海水中富营养菌P.sp.W04与寡营养菌B.sp.Y09共存机制研究根据前期发现的菌株W04与菌株Y09之间的共存现象,进一步研究了二者之间的共存机制。在共培养体系中,菌株Y09利用的直接底物是氨基酸。对氨基酸的利用实验表明,菌株W04快速生长,在24 h后细胞数目达到最高,而培养基中的氨基酸几乎耗尽。而菌株Y09在培养基中生长缓慢,10 d后才进入稳定期,此时培养基中的氨基酸仍有75%未利用。进一步,我们进行了菌株W04与Y09对半胱氨酸的吸收速率研究。结果表明,菌株W04对半胱氨酸的吸收速率远远快于菌株Y09。然而,当半胱氨酸浓度小于82 nM时,菌株Y09对半胱氨酸的吸收速率大于菌株W04。这表明,尽管在富营养条件下菌株Y09无法与菌株W04竞争底物,但在寡营养条件下,菌株Y09生长速度更快,甚至细胞数目高于菌株W04。我们分析了菌株W04与菌株Y09在长期共培养不同营养期的转录组。结果显示,在添加营养期,菌株W04糖酵解途径、三羧酸循环、脂肪酸代谢、DNA/RNA合成以及ATP合成中的多个关键酶基因都显著上调。此外,15个与分泌系统相关的基因,5个胞外蛋白酶基因和12个胞外肽酶基因也显著上调。菌株W04能够迅速响应胞外酪蛋白的加入,将其降解为氨基酸和寡肽,用于生长。然而,菌株Y09在添加营养期上调的基因少得多,并且未发现明显的基因调控模式,说明添加营养时菌株Y09的基因调控较少。在长期饥饿期,菌株W04有关生物合成、底物降解与转运以及能量合成的基因都显著下调,但鞭毛组装基因在这一阶段上调。这表明当食物耗尽时,菌株W04可能会游向别处寻找新的营养物质。然而,在长期饥饿期,菌株Y09有19个甜菜碱、寡糖和氨基酸的转运基因上调。这说明当营养浓度降低时,菌株Y09可以表达更多的转运蛋白,以提高底物的吸收效率,从而维持自身的生长。根据上述研究结果,我们最终提出了开阔表层海水中富营养菌和寡营养菌之间相互作用模式:在表层海水中,当高分子量有机质输入时,富营养菌首先响应营养信号,与分泌系统相关的基因和胞外蛋白酶基因显著上调表达,通过分泌胞外蛋白酶来降解这些高分子量底物,产生的小分子降解物被高效的转运吸收,使得其迅速增长。而寡营养菌由于不能分泌胞外酶而无法利用这些高分子量有机质,不能与富营养菌竞争底物,细胞数目因此也远低于富营养菌。而当营养消耗殆尽时,富营养菌细胞数量快速减少;而寡营养菌在这个阶段能利用环境中低浓度的营养物保持缓慢的增长,细胞数量逐渐高于富营养菌的细胞数量。而当下次营养输入时,富营养菌和寡营养菌又重复之前的响应模式。这最终导致富营养菌和寡营养菌的振荡共存。本论文通过对海洋与极地生态环境中微生物群落分析,探究了微生物群落的生物地理学分布模式,对环境的响应和生态学功能,阐述了微生物对全球物质化学循环的重要意义。此外,我们首次提出了富营养菌和寡营养菌在寡营养开阔海域表面海水中的共存模式,并最终揭示了其相互作用和共存机制。