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陆地热泉是一类典型而又独特的极端环境,其中所蕴含的微生物也必然存在着鲜明的特征。本论文主要通过分子生物学手段针对云南和西藏地区的部分热泉中原核微生物以及其中特定功能类群的多样性展开了研究。
首先,在上述地区共选择16处热泉(云南地区为10处,温度在96-47℃之间,pH值为3.2-8.1;西藏地区为6处,温度在84-57℃之间,pH值为6.7-8.6),通过高通量的bar coded454测序技术,进行了古菌与细菌的多样性调查。共得到30669条古菌16S rRNA基因V4区片段有效序列,分别以0.03和0.05的cutoff值划分为2597个和1263个OTUs(可操作分类单元),其类群涵盖了目前古菌域内已知的全部4个门,另外还有少量不能确定分类地位的古菌类群。属于泉古菌门(Crenarchaeota)的OYUs占到了古菌总OUT数目的77.8％,广古菌门(Euryarchaeota)的OUT数占到了18.6%,这与其它地区陆地热泉的研究结果相似。然而个别样点在优势类群的组成上和其它样点存在着明显的差异,这种差异可能与该环境中的某些未知的理化因子有关。细菌16S rRNA基因V4区片段有效序列的数目为41962条,以0.03和0.05的cutoff值为标准可划分为3710和2420个OTUs。其中确定分类地的主要类群包括变形杆菌门(Proteobacteria)、产水菌门(Aquificae)、放线菌门(Actinobacteria)、异常球菌-栖热菌门(Deinococcus-Thermus)、厚壁菌门(Firmicutes)以及拟杆菌门(Bacteroidetes)。另外,37%的OTUs属于不能确定分类地位的细菌类群,而且其中大部分还为各热泉中的优势物种,这些物种可能在陆地热泉环境中有着重要的生态学作用。还有一个比较有意思的现象为:进行光合作用的蓝细菌门物种在75℃以上的温泉中也被发现,甚至在94℃热泉中为优势类群,这预示光合作用存在的温度上限并不是以前人们认为的73℃。
通过对各热泉内细菌和古菌群落结构的比较,以及16S rRNA基因定量PCR结果的统计分析,并没有发现本次研究的热泉样点中微生物多样性和生物量与环境温度、pH值和地域分布上存在明显相关性。因此我们目前还无法找出导致热泉生态系统间群落组成差异的主导因素。
本论文的另一项工作是针对通过3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyratecycle途径进行二氧化碳固定的古菌多样性的研究。通过对编码该途径关键酶基因accA进行克隆文库的构建以及后续的系统发育分析。结果发现热泉环境中存在着比其它常温环境更为丰富的,通过该途径进行化能自养型生长的古菌物种,而且绝大部分属于新的大类群,这些类群有可能是热泉环境所独有的。古菌accA基因和古菌的氨氧化基因amoA定量PCR的实验结果表明,在本次研究的8个样点中,accA的拷贝数要远远大于amoA的拷贝数,这表明在陆地热泉环境中并不是所有的3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle途径古菌都通过氨氧化过程获得碳固定所需的能量,有大量该途径古菌可能通过其它代谢过程维持碳固定,而这些古菌很有可能是本次实验发现的新类群。这与其它普通环境相关的研究结果存在较大的差异。