论文部分内容阅读
生物土壤结皮广泛分布在荒漠和半荒漠地区稀疏的灌丛间隙，对表土的稳定、增肥、及保水起着重要功能。本论文以腾格里沙漠南缘的沙坡头地区和库布齐沙漠东缘的达拉特旗实验站不同演替阶段的典型生物结皮为研究对象，结合直接显微观察、传统培养、生理生化分析、分子指纹图谱及宏基因组学等手段，对其中的微生物物种组成、群落结构、代谢活性及功能潜力等方面进行了较系统地研究，主要结果如下: 结合多种方法（直接观察、传统培养、DGGE、克隆文库、高通量测序等）同步研究了藻结皮、蓝藻地衣结皮、绿藻地衣结皮和藓结皮中的蓝藻多样性和群落结构，发现，藻结皮和藓结皮都是以Microcoleus为绝对优势种，两种地衣结皮中Nostoc和Scytonema的丰度显著高于其他结皮;随着结皮演替蓝藻多样性先增加后降低，使地衣结皮中蓝藻多样性最高，藓结皮中最低。但多种方法得到的群落结构存在巨大差异，甚至方法间差异大于样品间差异。 鉴于DGGE方法较为精细的分辨率和高性价比，对4阶段9种自然结皮的蓝藻分析发现，除绿藻地衣结皮外，其他结皮在不同阶段都有变化，而且念珠藻地衣结皮和伪枝藻地衣结皮与藻结皮较近，拟色球藻地衣与绿藻地衣结皮较近。人工结皮的分析还发现，结皮覆盖类型影响不大，坡度和时间都有影响。人工接种蓝藻促结皮恢复技术可直接在流沙上接种，但坡度都最好小于30°，同时保证结皮的发育时间。 在细菌通用引物下，DGGE技术对各演替阶段结皮的分析发现，随着结皮演替细菌多样性有降低趋势，因藓结皮中检测到的主要是叶绿体基因;藻结皮和地衣较为接近，但绿藻地衣结皮中Stichococcus bacillaris非常丰富。在真菌特异引物下，DGGE技术发现，蓝藻地衣结皮中真菌的多样性最高，各结皮中的真菌差异主要在Taphrina johansonii和Paracostantinella sp.的丰度上，而且它们都是各结皮中的优势真菌。 高通量测序发现，Proteobacteria，Actinobacteria，Cyanobacteria，Bacteroidetes和Acidobacteria等是各演替阶段结皮中的优势原核微生物;最主要的真核微生物为Ascomycota。但结皮在演替过程中多样性和群落结构都有着明显的不同，而不同优势种形成的地衣结皮之间的微生物群落结构相对而言更为接近。在影响结皮群落结构的环境因素中，水分和土质对原核微生物群落的影响最大，土质和电导率对真核微生物群落影响最大。 宏基因组测序通过蛋白编码序列的NR库比对发现，Cyanobacteria，Proteobacteria，Acidobacteria，Actinobacteria，Bacteroidetes等是结皮中的优势微生物门类;真菌Ascomycota丰度在地衣结皮中最高，Euryarchaeota等古生菌的丰度随着结皮演替增加。NR库比对结果同时显示，随着结皮演替，其中微生物丰富度和多样性都显著增加。 固氮活性和固氮微生物的研究发现，藻结皮的固氮酶活性显著低于它阶段，但nifH基因的拷贝数随结皮演替显著增加。nifH基因克隆文库分析发现，随结皮演替，异形胞固氮蓝藻逐渐减少，固氮异养菌的丰度逐渐增加。 土壤酶活性显示，随着结皮演替，β葡萄糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、几丁质酶、蛋白酶、硝酸还原酶活性有增加趋势，但蔗糖酶呈下降趋势;其余酶虽没有规律变化，但都在演替中晚期（地衣结皮和藓结皮）高于早期（藻结皮）。群落水平生理图谱(CLPP)分析再次证明，藓结皮在多种碳源利用方面最有优势，绿藻地衣结皮利用碳源的功能多样性最低，藻结皮在利用环式糊精方面有优势，而且绿藻地衣在纤维素、藓结皮在聚合碳和胺类利用等方面的能力与胞外酶活性反映的规律完全一致。 基于宏基因组的分析表明，在COG层面，氨基酸转运和代谢、能量产生和转化、无机离子转运相关基因丰度在地衣结皮显著最高，而细胞壁合膜生物合成相关基因显著最低。SEED库表明，休眠和孢子、离子获取和代谢基因丰度随结皮演替显著增加，而光合作用、氮代谢和钾代谢等途径的基因丰度显著减少。KEGG分析发现，氨基酸代谢，糖代谢以及复制和修复方面基因丰度随演替有增加，能量代谢方面呈减少趋势。 在固碳途径中，随演替卡尔文本森循环(CBB)途径的基因丰度呈明显降低，而3-羟基丙酸/4-羟基丁酸途径(3HP/4HB)途径呈显著增加。胞外聚合物降解中，果胶质、半纤维素、几丁质降解相关基因丰度呈增加趋势，而纤维素降解基因在绿藻地衣结皮与藓结皮中相似。参与碳固定的基因与物种关系上，演替早期主要是蓝藻，中期(地衣阶段）主要是放线菌和变形菌，晚期（藓结皮）是酸杆菌和变形菌;参与胞外聚合物降解的基因与物种关系，演替早期主要是变形菌，中期主要是放线菌，晚期主要是酸杆菌。统计学相关关系则表明，与碳固定基因相关性最高且最多的是放线菌、α变形菌和蓝藻，而与胞外聚合物降解基因最具相关性是放线菌、α变形菌、酸杆菌和蓝藻。