南极菲尔德斯半岛潮间带沉积物细菌的多样性研究

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本研究以南极菲尔德斯半岛潮间带沉积物样品为对象,通过常规手段对分布在7个不同地理位置的潮间带沉积物样品进行了细菌总菌计数、菌株分离纯化、菌落菌体观察、分离菌产酶鉴定、以及16S rDNA序列测定分析等,以此来了解半岛潮间带沉积物可培养细菌的多样性状况;同时,对各样品进行了宏基因组提取,以及16S rRNA基因V4+V5区的高通量测序,以此来了解、比较和分析样品中细菌的类群组成与结构;另外,结合样品理化性质测定与环境数据,探讨半岛不同潮间带沉积物中细菌群落特征与环境因子之间的关系,寻找主要影响因子。实验结果表明:(1)样品菌落计数表明:在2216E固体平板上,样品菌数含量排布依次为:QEC-1>QED-C1>SWWC-1>CCZ-C1>HJW-C1>NES-C1>NWZ。其中样品QEC-1最多(6.8×106CFU/g),样品NWZ最少(2.2×104CFU/g)。在寡营养培养基R2A和M1上菌落数均少于2216E培养基。(2)菌落菌体形态观察结果表明:可培养分离菌具有一定的形态多样性。颜色主要集中于白色、乳白色、黄色以及橘黄色。菌体有球状、杆状、短杆状等形态。其中占总分离菌18.7%的菌株为革兰氏阳性菌,81.3%为革兰氏阴性菌。(3)产酶结果表明:菲尔德斯半岛潮间带沉积物中的细菌具有较高的产酶多样性。其中有26%的菌株产淀粉酶,47.2%的菌株产酪蛋白酶,62.5%的菌株产脂肪酶,45.8%的菌株产七叶苷水解酶,25%的菌株产明胶水解酶,34.7%的菌株产纤维素水解酶,56.9%的菌株产氧化酶,55.5%的菌株产过氧化氢酶。在这些产酶菌株中,发现若干具有较强产淀粉酶、酪蛋白水解酶、脂肪酶、七叶苷水解酶、过氧化氢酶等能力的菌株,它们主要集中在QEC-1、QED-C1、HJW-C1等样品中。(4)16S rDNA系统发育结果表明:79株代表菌共属于4个门(Proteobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes)、5个纲(Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Actinobacteriac、Flavobacteria、Bacilli)、22个属、31个种。其中,变形菌门(Proteobacteria)为优势菌群(55株),占79株代表菌的69.6%;从纲的水平看,Proteobacteria门中的Gammaproteobacteria纲为优势菌纲;在属水平上,Pseudoalteromonas为优势种属。从样品的物种多样性上看,样品SWWC-1(生物湾海豹聚集区)具有最高的物种多样性,共包含4个门、4个纲和7个属;而样品NWZ和样品QED-C1的物种多样性最少,只包含1个门、2个纲和3个属。另外,实验中还发现11株菌疑似新种,值得进一步详细分类确定。(5)高通量测序结果表明:7个潮间带沉积物样品共注释了45个门、104个纲和442个种。7个样品中排名前十的门分别为拟杆菌门(Bacteroide tes)、变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、蓝细菌(Cyanobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、绿弯菌门(Chloroflexi)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae),其中拟杆菌门、变形菌门、浮霉菌门以及酸杆菌门在7个样品中占有较高比例。7个样品中总排名前十的纲有黄质菌纲(Flavobacteriia)、梭菌纲(Clostridia)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacte ria)、拟杆菌纲(Bacteroidia)、鞘脂杆菌纲(Sphingobacteriia)、芽孢杆菌纲(Bacilli)、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、unidentifiedActinobacteria纲和浮霉菌纲(Planctomycetacia)。在属水平上,7个样品中Albidiferax属、Granulosicoccus属、Lactobacillus属、Maritimimonas属、Lutibacter属和Massilia属为含量较高的属,尤其是Granulosicoccus属在7个样品中均有分布。样品细菌群落结构分析(PCA)表明:LSN.02、LSN.05和LSN.07号样品之间距离较为集中,说明这三个样品之间的群落组成结构相似度较大。同时,LSN.01、LSN.06和LSN.03号样品之间的距离较远,且与其它样品相隔也较远,说明三个样品之间的群落组成结构的相似度较小,而与其它样品之间的差异性也较大;尤其以LSN.03号样品最为显著,其优势物种在门、纲、属水平上与其它样品均有差别,推测可能是由于人类的频繁活动使该区域环境因子有所变化,从而影响细菌群落的组成和结构。(6)将样品理化性质与样品细菌群落结构结合分析后发现,TON、NH4+-N、NO3--N、PO43--P和NO2--N之间的相关性较强,且对LSN.02、LSN.04、LSN.05和LSN.07号样品的细菌群落影响较大。而LSN.01、LSN.06和LSN.03号样品的细菌群落结构受有机碳(TOC)的影响较大。(7)可培养法与高通量测序法结果比较表明:两种方法所得优势菌群结构相差较大。尤其在纲、属水平上,可培养法所表现出的样品菌群多样性较为单一(优势菌主要集中在Gammaproteobacteria纲和Pseudoalteromonas属);而高通量测序法却表现出较高的多样性。另外从门水平上看,仅有LSN.01和LSN.04号样品在可培养和高通量两种方法下得到的优势菌门相同,均为Proteobacteria门。在纲水平上,LSN.01、LSN.02和LSN.04号样品在高通量和可培养两种方法中所得到的优势菌纲相同,均为Gammaproteobacteria纲。在属水平上,每个样品在两种方法下得到的优势菌属均不相同。总体上看,高通量测序所得到的细菌类群更加丰富,但优势菌群在各样品中所占的比例相对较低;而可培养得到的菌群结构相对简单,但优势菌在各样品中所占的比例却相对较大。本研究对菲尔德斯半岛潮间带沉积物细菌的多样性状况进行了较为系统的了解,这可为极地其他类似研究提供有益参考;同时也可为开发极地环境产酶微生物提供宝贵菌株。
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