天山一号冰川前沿环境古菌及冻土活动层甲烷菌群落的分布格局研究

【摘要】：目的：冰川底部沉积层的环境相对隔离，其退缩前沿环境有鲜明的时间序列演替性，这种地理生境为我们研究和了解较少受到人类活动影响的原始生态系统中生物的演替过程、地理格局、功能类群的生态效应及其对全球变化的区域响应提供了绝佳的自然条件。阐明冰川环境中的微生物既有助于研发低温微生物技术，也为了解冰川底部沉积层的低温环境中发生的生物地球化学过程提供了基础资料。 方法：本研究采用PCR方法克隆甲烷菌pmoA基因，通过测序、序列分析、建立系统发育树，分析不同土样中甲烷氧化菌的群落的结构组成；采用高通量测序技术和变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术，经测序、序列分析、建立系统发育树，分别对冰川前沿环境的古菌及高山草甸冻土活动层的古菌群落结构分布进行了分析。 结果：本研究针对天山一号冰川开展相关工作，研究结果如下： 1.天山一号冰川前沿共得到51个OTU。系统发育结果显示，天山一号冰川前沿的高山草甸冻土活动层中检测序列代表的甲烷氧化细菌中，绝大部分为迄今仍然不可培养的类群，包括Upland Soil Clusterα (USCα)、Upland Soil Cluster γ (USCγ)、Cluster1(CL1)三类，其中Upland Soil Cluster γ (USCγ)、Cluster1(CL1)是优势类群，隶属于Upland Soil Cluster γ (USCγ)的OTU数占50%以上，而Upland Soil Clusterα (USCα)类群只检测到4个OTU。 2.冰川前沿环境中存在一定丰度的古菌，但总体上丰度较低。对天山一号冰川前沿环境古菌群落结构分析发现，随着前沿环境时间序列，古菌的多样性总体上是增加的。在冰川前沿我们也检测到了部分隶属于Halobacteriaceae、Methanosarcinaceae、Methanobacteriaceae的广古菌序列。其中盐杆菌科Halobacteriaceae的序列丰度，在冰川前沿早、中期土壤中丰度比例明显较晚期成熟土壤高。这可能与早起土壤主要是裸露的冰碛物，无机盐成分较高，为盐杆菌的生存提供了更有利的条件。目前已有证据表明，group1.1b、group1.1c类群广泛存在于农田、森林等土壤中，属于中温泉古菌，在土壤氮素的硝化作用中发挥重要功能。 3.草甸土垂直取样初步分析显示，不同土层中也以泉古菌（Crenarchaeota）占绝对优势。在垂直土层中，只在冻土活动层表层、亚表层检测到了广古菌。结论：天山一号冰川前沿的高山草甸冻土活动层中检测序列代表的甲烷氧化细菌中，绝大部分为迄今仍然不可培养的类群。冰川环境中古菌的多样性较低，在整个冰川底部及退缩环境中，以泉古菌（Crenarchaeota）占绝对优势，广古菌（Euryarchaeota）在冰川底部沉积层以及冰川初始退缩环境、及土壤中间发育阶段(约60-80年)的土壤中丰度较高，而在距离冰川较远的高山草甸较成熟土壤中丰度很低。草甸土垂直取样初步分析显示，不同土层中也以泉古菌（Crenarchaeota）占绝对优势。在垂直土层中，只在冻土活动层表层、亚表层检测到了广古菌。分析结果显示，在冰川前沿环境存在的广古菌中，存在一定丰度的产甲烷古菌和嗜盐杆菌，后者尤其在冰川初始退缩环境较丰富。由于古菌可培养菌株数量极少，目前采用分子生物学获得的大部分古菌基因序列无法明确归属于具体的分类单元，对其生态学作用的评价几乎了解很少，有待更深入研究。 【关键词】：天山一号冰川 冻土活动层 古菌 甲烷菌群落 分布
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：Q93
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 缩略词表10-11
• 第一章 文献综述11-24
• 1.1 古菌多样性及其生态分布11-14
• 1.2 冻土中的甲烷菌群14-20
• 1.2.1 产甲烷古菌14-18
• 1.2.2 甲烷氧化细菌18-20
• 1.3 冻土中甲烷的循环20-22
• 1.4 研究意义22-23
• 1.5 本课题的主要研究内容23
• 1.6 本课题的研究路线23-24
• 第二章 天山一号冰川冻土活动层甲烷氧化菌群落的垂直分布24-34
• 2.1 试验材料和仪器24-26
• 2.1.1 样品采集24
• 2.1.2 主要试剂和仪器24-25
• 2.1.3 菌株、载体、与主要试剂25
• 2.1.4 溶液配制25-26
• 2.1.5 培养基26
• 2.2 实验方法26-29
• 2.2.1 DNA 样品的提取26
• 2.2.2 甲烷氧化菌的 pmoA 基因扩增26-27
• 2.2.3 PCR 扩增产物的琼脂糖电泳27
• 2.2.4 PCR 产物纯化27
• 2.2.5 感受态细胞的制备27-28
• 2.2.6 连接28
• 2.2.7 转化28
• 2.2.8 阳性克隆的筛选28-29
• 2.2.9 测序及数据处理29
• 2.3 结果与分析29-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 天山一号冰川前沿环境古菌群落的演替格局34-48
• 3.1 材料与方法34-35
• 3.1.1 样品采样及处理34
• 3.1.2 土样中微生物总量、活菌、死菌数量的确定34
• 3.1.3 总 DNA 的提取34
• 3.1.4 冰川前沿及其周边不同景观尺度微生物系统发育类群分异规律34-35
• 3.1.5 冰川前沿土壤年龄、理化性质测定35
• 3.2 数据处理35-36
• 3.2.1 基于基因序列的系统发育分析35-36
• 3.2.2 高通量测序数据的处理36
• 3.2.3 多个群落结构比较分析36
• 3.2.4 相关性多元回归分析36
• 3.3 结果与分析36-46
• 3.3.1 采样点及其土样理化特征36-37
• 3.3.2 基于高通量对一号冰川底部沉积层及前沿环境古菌群落结构的比较37-46
• 3.4 讨论46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第四章 天山一号冰川前沿冻土活动层古菌垂直分布格局48-58
• 4.1 材料48-50
• 4.1.1 样品采集48
• 4.1.2 药品和试剂48-49
• 4.1.3 实验主要仪器设备49
• 4.1.4 试剂的配制49-50
• 4.2 试验方法50-51
• 4.2.1 样品 DNA 的提取50
• 4.2.2 PCR 扩增50
• 4.2.3 DGGE 电泳50-51
• 4.2.4 DGGE 条带回收及序列分析51
• 4.3 结果与分析51-56
• 4.3.1 DGGE 图谱分析51-53
• 4.3.2 古菌群落 DGGE 条带的系统发育及垂直分布格局53-55
• 4.3.3 不同深度冻土活动层古菌群落结构相似性分析55-56
• 4.4 讨论56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第五章 结论与展望58-60
• 5.1 结论58
• 5.2 展望58-59
• 5.3 本文的主要创新点59-60
• 参考文献60-67
• 致谢67-68
• 作者简介68-69
• 导师评阅表69

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