几种生境土壤（铁锰结核）中微生物多样性的研究

摘要

土壤微生物是土壤生态系统中物质转化、能量传递和元素地球化学循环重要参与者，对土壤生态系统的结构和功能起着至关重要的作用。由于土壤微生物在生态系统中的重要地位，其在土壤中的多样性分布与功能研究受到了广泛的重视。但是由于土壤中微生物数量巨大，种类繁多，分布极广，加之不同类型土壤在物质组成、理化性质及土壤微环境上的差异性，使得微生物在土壤中的多样性分布及功能具有很大的不可预测性，人们对土壤中微生物多样性和功能的了解还十分有限。
　　本研究从水平和垂直尺度两个方面研究了不同纬度及海拔条件下土壤中细菌和古菌的群落多样性、分布情况及其影响因素。在水平尺度上，供试亚热带和温带地区四种典型土壤及铁锰结核中细菌的丰度、多样性及群落组成存在显著差异，土壤中细菌丰度(1.15×108～6.67×1011)和多样性(以shannon指数为例，为4.11～4.48)远高于铁锰结核（2.08×105～4.90×105和2.36～3.80），与土壤有机质含量呈正相关，与铁锰氧化物含量呈负相关。土壤中的细菌以酸杆菌为主，相对含量介于28.6％和51.6％之间，变形菌次之，相对含量介于17.7％和29.0％之间;铁锰结核中细菌以变形菌为主，相对含量达到了62.8％～90.5％，而酸杆菌在铁锰结核中的相对含量只有2％～10％。与土壤环境相比，铁锰结核的寡营养和高金属氧化物含量的极端环境是导致这种差异的主要因素，说明了变形菌对极端环境的适应能力更强以及栖息地环境的选择作用对微生物群落结构的重要影响。在铁锰结核中还检测出很多与已知的具有氧化还原铁和锰能力的变形菌克隆子，它们在铁锰结核的形成过程中可能发挥着一定的作用。土壤中古菌的丰度(1.87×105～1.08×106)显著高于铁锰结核(3.59×102～4.17×103)，且不同类型土壤之间及铁锰结核之间，古菌丰度差异并不明显，古菌丰度与有机质含量呈正相关，与氧化铁含量呈负相关;同一样地的土壤和铁锰结核中古菌群落组成相似。这一分布特点不同于细菌在土壤和铁锰结核中的分布情况，说明古菌比细菌更适应像铁锰结核这种金属含量很高并且营养物质又很匮乏的极端环境。供试土壤中主要的古菌种群为奇古菌，相对含量介于73.9％和94.2％之间，棕壤、黄褐土和红壤铁锰结核中主要的古菌种群也为奇古菌，相对含量达到了80.9％～95.1％，与其对应土壤相似，黄棕壤铁锰结核中古菌群落组成与其它三种铁锰结核差异显著，主要古菌类群为广古菌，相对含量为92.9％，这种差异可能与供试黄棕壤铁锰结核在其形成过程中所处的水分环境与其它铁锰结核不同有关。
　　本文在垂直尺度上，研究了神农架地区海拔560米到3093米8个海拔梯度山地土壤中细菌和古菌的多样性及群落结构分布特点，结果表明:细菌丰度随海拔上升呈现先增后降的趋势，古菌的丰度变化没有明显趋势，土壤微生物多样性沿海拔梯度的分布没有明显趋势，并受土壤pH影响显著。神农架山地土壤微生物群落结构呈显著地带性差异，并受土壤pH显著影响，主要细菌种群为变形菌和酸杆菌，相对含量达到57.6％～78.2％，其中酸杆菌相对含量为25.5％～53.3％，变形菌的相对含量为25.0％～36.2％，主要古菌种群为奇古菌，相对含量达到59.8％～79.4％，广古菌其次，相对含量也达到了16.8％～37.2％，不同类群微生物沿海拔梯度的分布格局不同，但都受到土壤pH的显著影响，酸杆菌和海洋底栖生物类群MBGA(Marine Benthic Group A)的分布随海拔升高呈先减后增的格局，β-和γ-变形菌的分布呈先增后减的单峰格局，其它种群在中高海拔地区随海拔升高呈现单调递减格局。有机质、铁铝氧化物、含水率、铵态氮、硝态氮、全氮、C/N和Feo/Fed等其它土壤及环境因素对微生物沿海拔梯度的分布也具有一定的影响。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 土壤微生物

1．2 土壤中的微生物多样性

1．2．1 土壤微生物多样性调查方法

1．2．2 微生物多样性研究进展

1．3 土壤铁锰氧化物及铁锰结核

1．4 微生物在铁锰元素地球化学循环中的作用及生物锰氧化物形成机制

1．5 研究目的和意义

1．6 技术路线

2 四种地带性土壤及铁锰结核中微生物多样性研究

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．2．1 供试土壤及铁锰结核

2．2．2 土壤及铁锰结核采集

2．2．3 土壤及铁锰结核DNA提取

2．2．4 实时荧光定量PCR分析

2．2．5 克隆文库构建

2．2．6 测序及系统发育树分析

2．2．7 微生物种群多样性分析

2．3 结果与分析

2．3．1 土壤和铁锰结核中细菌的丰度

2．3．2 土壤和铁锰结核中细菌群落的多样性分析

2．3．3 土壤和铁锰结核中细菌群落的聚类分析

2．3．4 土壤和铁锰结核中细菌群落组成

2．3．5 土壤和铁锰结核中主要细菌种群的系统发育分析

2．3．6 土壤和铁锰结核中古菌的丰度

2．3．7 土壤和铁锰结核中古菌群落的多样性分析

2．3．8 土壤和铁锰结核中古菌群落的聚类分析

2．3．9 土壤和铁锰结核中古菌群落组成

2．3．10 土壤和铁锰结核中古菌种群的系统发育分析

2．4 讨论

2．4．1 土壤和铁锰结核中细菌和古菌多样性

2．4．2 土壤和铁锰结核中细菌种群差异及影响因素

2．4．3 土壤和铁锰结核中细菌的潜在生态学功能

2．4．4 土壤和铁锰结核中古菌种群差异及影响因素

2．4．5 土壤及铁锰结核中古菌的潜在生态学功能

2．5 小结

3 神农架山地土壤微生物多样性研究

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 供试土壤

3．2．2 土壤采集

3．2．3 土壤样品处理

3．2．4 实时荧光定量PCR分析

3．2．5 PCR扩增及Miseq边合成法测序

3．2．6 序列处理及数据分析

3．3 结果与分析

3．3．1 不同海拔山地土壤理化性质

3．3．2 不同海拔山地土壤中细菌和古菌的丰度

3．3．3 不同海拔山地土壤中微生物多样性

3．3．4 不同海拔山地土壤中微生物群落聚类分析

3．3．5 不同海拔山地土壤中微生物的群落组成

3．4 讨论

3．5 小结

4 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

5 论文创新点

参考文献

附录

博士期间撰写与发表的文章

致谢