乌鲁木齐河源区土壤微生物的时空分布特征

摘要

极端环境条件下微生物群落演替与气候演变的关系研究是生命科学和地球科学交叉的一个国际前沿领域。冻土微生物常年处于极端严酷的环境条件下，对环境变化特别敏感，因而，研究冻土中的微生物分布、遗传变化与自然选择对研究过去气候环境形成于变化、评价生物和人类活动对地球环境的影响有重要意义。
　　 本研究分别以乌鲁木齐河源区不同海拔表层土壤和不同层位冻土样品为介质，利用荧光显微计数技术、寡营养恢复培养技术、16S rDNA基因克隆技术、分子标记-变形梯度凝胶电泳(DGGE)、限制性片度长度多态性(T-RFLP)技术等，通过对冻土样品中微生物的数量和物种多样性的研究，分析了不同海拔、不同深度中微生物的群体结构和种类变化，并结合相关的土样理化性质资料，探讨冻土微生物数量、多样性和物种垂直结构的时空变化特征，揭示微生物的来源及其物种的演替规律以及与土壤理化参数的关联度。主要结果如下：
　　 1、在20个代表不同年代的冻土芯样品中，可培养细菌数量与年代、土壤含水量、总C和总N含量都成显著的正相关，与pH值呈显著负相关，表明深坑样冻土中可培养细菌数与环境有紧密联系。而且，可培养细菌数及其在细胞总数中所占比值随年代的增加而下降。海拔样品中可培养细菌数与含水量、总C、总N和pH值相关性不如深坑样。通过分析研究海拔、植被与可培养细菌数之间的相互关系，我们发现海拔高度并不是影响可培养细菌数的决定因素，但不同的植被类型对细菌生长有一定的决定作用：单子叶草本植物＞乔木类植物＞双子叶草本植物。
　　 2、恢复培养结果显示，从深坑样品中检测到的31株细菌分别属于Firmicutes、Actinobacteria、α-Protebacteria、β-Protebacteria和γ-Protebacteria5个系统发育组的20个属；从海拔样品中检测到的23株细菌分别属于Firmicutes、Actinobacteria、α-Protebacteria、β-Protebacteria、γ-Protebacteria和Bacteroidetes6个系统发育组的16个属。深坑样中Actinobacteria与α-，β-，γ-Protebactia呈显著负相关，Firmicutes与β-Protebacteria呈显著正相关；海拔样中α-Protebacteria与β-Protebacteria呈显著负相关，与Firmicutes成显著正相关。而且，在深坑样中，γ-Protebacteria与pH呈显著正相关，与可培养细菌总数呈显著负相关；海拔样中Actinobacteria与海拔呈显著正相关。从而推断出，细菌的物种多样性不仅受环境因素影响，而且是种间相互作用的结果。产色素菌的比例较高，深坑样中为98.60％，深层样品中产色素菌含量较表层样品小；海拔样品中为47.06％，随海拔的增加呈减小趋势。进一步分析发现，分离出来的许多菌株都是功能菌，在净化乌鲁木齐河源区的环境及生态建设方面具有很大的应用价值。
　　 3、DGGE对细菌的分析显示，从深坑样中检测到的23条细菌16S rDNA片段分别属于Actinobacteria、α-Protebacteria、β-Protebacteria、δ-proteobacteria、Nitrospira、Acidobacteria和Gemmatimonadete7个系统发育组；从海拔样中检测到的30条细菌16S rDNA片段分别属于Actinobacteria、α-Protebacteria、β-Protebacteria、δ-proteobacteria、Nitrospira、Acidobacteria、Gemmatimonadete、Firmicutes、Thermodesulfobacteria、Chloroflexi和Bacteroidetes11个系统发育组。对DGGE图谱中细菌物种多样性(shannon指数)和丰富度的分析表明，细菌物种多样性在不同深度及不同海拔样品中差异较小。然而需要指出的是，DGGE方法可以检测出来更多类群的细菌，但有些能恢复培养出来的而并未检测到，因而需要将分子方法与传统的培养技术相结合，才能更充分、更全面地研究冻土微生物。
　　 4、DGGE对古菌的分析显示，从深坑样中检测的21条古菌16S rDNA片段分别属于Crenarchaeota(泉古菌门)的Caldisphaera和Pyrolobus2属和Euryarchaeota(广古菌门)的Methanolinea、Thermogymnomonas、Methanosphaerula和Methanocella4属。海拔样检测到的17条古菌16S rDNA片段分别隶属于Crenarchaeota的Caldisphaera1个属和Euryarchaeota的Methanolinea、Thermogymnomonas和Methanosphaerula3属。对其进行物种多样性分析显示，深坑样的shannon指数基本在0.8～1.0之间，多样性随深度的增加呈上升趋势。海拔样的shannon指数在0.5～1.1之间，多样性随海拔的增加呈上升趋势。
　　 以上研究表明，不同深度及不同海拔梯度样品中微生物的数量、组成和分布有很大差异，而且都在一定程度上与气候环境的指标和时空变化相关，为阐明、推演乌鲁木齐河源区气候环境的演变规律，为当地生态环境建设的调控提供科学参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第一节 乌鲁木齐河源区自然地理概况

第二节 冻土微生物的多样性及其应用价值

第三节 乌鲁木齐河源区微生物研究的目的和意义

第二章 材料与方法

第一节 采样区域概况及采集方法

第二节 土样理化性质分析及微生物总数的测定

第三节 土样中可培养细菌的恢复培养和鉴定

第四节 变性梯度凝胶电泳(DGGE)

第五节 数据分析

第三章 结果与讨论

第一节 土样理化性质及微生物数量的分析

第二节 恢复培养细菌的多样性及分布

第三节 细菌的物种结构多样性

第四节 古菌的物种结构多样性

第四章 结论与结束语

第一节 结论

第二节 几点思考

第三节 下一步工作重点及方向

参考文献

在读期间研究成果、基金资助情况

致谢