太湖碱性磷酸酶编码基因phoX的多样性、丰度及影响因素

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细菌胞外碱性磷酸酶在水生态系统的有机磷矿化过程中起着重要作用。作为细菌胞外碱性磷酸酶的重要贡献者,碱性磷酸酶PhoX及其编码细菌已成为寡营养海洋中微生物磷营养限制研究的热点。对于浅水富营养化湖泊而言,研究碱性磷酸酶PhoX对于揭示水体中有机磷矿化的微生物驱动机制也具有非常重要的意义。本论文以大型浅水富营养化湖泊—太湖为对象,运用分子生物学方法,研究不同营养水平和生态结构类型湖区中碱性磷酸酶PhoX编码基因(phoX)多样性与丰度的时空分布特征,微囊藻水华分解过程中phoX多样性与丰度的变化规律以及phoX多样性与丰度对水动力扰动的响应,并结合多元统计分析,探讨影响水体中细菌phoX多样性与丰度的主导环境因素。论文的主要结果如下:  (1)太湖不同营养水平湖区水体中均有大量的未曾报道的、多样的phoX基因型,其中以与α-proteobacteriaphoX基因最相似的基因型(55.4%~95.8%)占主导。太湖水体中phoX基因型结构和丰度的空间分布与湖区的营养水平密切相关,中营养湖区的基因型结构显著区别于富营养湖区,且丰度(1.50×106copiesml-1)较高。细菌phoX丰度与细菌碱性磷酸酶活性间的极显著相关提示碱性磷酸酶PhoX在富营养化湖泊水体的有机磷矿化过程中起着重要作用。  (2)草、藻型湖泊生态系统是浅水富营养化湖泊中两种代表性的生态结构类型。太湖水体中,虽然草、藻型湖区的phoX多样性的年均值并无显著性差异,但草型湖区中的phoX丰度显著高于藻型湖区。两湖区虽均以与α-proteobacteriaphoX基因最相似的基因型占主导,但草型湖区与其它门类细菌的phoX基因最相似的基因型的种类多于藻型湖区。藻型湖区夏季与Synechococcussp.PCC7002phoX基因最相似的基因型的比例(38.8%)高于其它季节。草、藻型湖区细菌phoX丰度均在夏季最高,均值分别为2.34×106copiesml-1和1.66×106copiesml-1。水体温度、总磷以及水草生物量是与两湖区phoX基因型结构和丰度的变化显著相关的环境因子。  (3)为了探究外源营养和细菌的输入对水体中细菌phoX多样性与丰度的影响,研究对比了太湖受外源输入影响较大的河口区和影响较小的湖心区细菌phoX多样性与丰度的季节分布。结果显示:湖心区与河口区phoX丰度的峰值均出现在夏季,且河口区phoX丰度的四季均值(1.61×106copiesml-1)显著高于湖心区(7.54×105copiesml-1);湖心区与河口区均以与α-proteobacteriaphoX基因最相似的基因型占主导,分别占各自总基因型的63.5%和71.8%;两湖区中有46.9%的总基因型为河口区所特有;虽然两湖区phoX多样性的峰值均出现在春季,但夏、秋季节与Synechococcussp.PCC7002phoX基因最相似的基因型的种数高于冬、春季节;水温、外源营养和细菌物种的输入是影响两湖区phoX多样性与丰度的主要因素。  (4)浅水富营养化湖泊夏季蓝藻水华频发,可能与水体中磷的再生密切相关。通过模拟不同浓度微囊藻水华分解的过程,发现水华分解过程中细菌phoX多样性、基因型结构以及丰度均发生显著变化。微囊藻水华堆积会导致phoX多样性降低,随着水华的分解,中(约150μgl-1叶绿素a)、高(约1500μgl-1叶绿素a)浓度水华处理组的phoX多样性和丰度均有升高,这可能与水华分解释放的大量可溶性有机碳、磷营养物质有关。水华分解末期细菌phoX丰度的显著升高以及水体中赋存的可酶解磷可能为水华的再发生提供重要条件。  (5)小幅高频的水动力扰动是浅水湖泊的主要水文特征之一,其对湖泊水体物理、化学和生物要素均有重要影响。根据太湖风浪扰动的特点,以总悬浮颗粒物(TSS)浓度为依据,模拟了低(10mgl-1<TSS<15mgl-1)、中(30mgl-1<TSS<60mgl-1)、高(TSS>100mgl-1)扰动强度以及两种扰动方式(间歇性和持续性)的水动力扰动对水体理化参数、碱性磷酸酶活性以及细菌phoX多样性与丰度的影响。结果发现,相比于不同的扰动方式,水体理化参数、细菌碱性磷酸酶活性以及细菌phoX的丰度更易受扰动强度的影响。随着扰动强度的增大,水体phoX的多样性与丰度随之增加,基因型结构也随之改变,且其影响8天内难以回复。
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