高浓度CO2条件下稻田土壤自养固碳细菌群落结构特征

摘要

自19世纪中叶以来，因大气二氧化碳浓度持续升高，全球正经历着以气候变暖为主要特征的生态环境变化。控制CO2气体排放是当前减缓和适应气候变化的首要措施。自养微生物可以通过多种途径固定CO2，是一支重要的固碳力量。研究农田土壤环境微生物固定CO2的分子生态学机理对于缓解全球气候变暖具有重要科学意义。本文选择南方免耕稻田不同发生层的土壤为研究材料，采用定量PCR和DNA-SIP技术，并结合Illumina Miseq高通量测序技术分析稻田土壤不同发生层固定CO2自养细菌多样性，及其在CO2浓度升高条件下的变化规律。主要研究结果如下: 荧光定量PCR结果显示，在70天的高浓度CO2(40000ppm)持续培养周期内，不同发生层土壤16S rDNA数量在1010～1012拷贝数·每克干土之间，与CO2固定相关的marker基因拷贝数范围是105～109拷贝数·每克干土，呈现cbbLR＞coxL＞cbbM＞cbbLG的规律，且各基因拷贝数都随着土壤深度增加而降低。此外，在整个培养周期内，功能基因拷贝数变异系数基本呈现中等变异性，表现出渗育层或犁底层＞耕作层的规律。 cbbM基因Illumina Miseq高通量测序结果显示，FG和TF不同发生层土壤cbbM基因在不同培养时期内的多样性指数及其变异系数基本呈现耕作层＞犁底层和渗育层的规律。OTU水平的VENN图显示，表层土壤比深层土壤具有更多的独有OTUs。OTU水平的主坐标分析和基于UniFrac的加权主坐标分析，以及基于属分类水平的主成分分析都表明，不同土壤发生层之间的固碳细菌群落结构差异较大。群落相似度分析表明，耕作层土壤受高浓度CO2影响较小，而深层土壤，尤其是渗育层土壤受高浓度CO2影响较大。 FG和TF不同土壤发生层RubisCOⅡ型自养细菌类群主要属于α-/β-和γ-变形菌纲。FG土壤耕作层优势固碳菌属为Thiobacillus、Sulfuritalea、Acidihalobacter和Magnetospirillum（相对丰度＞5％）;Sulfuricella、Thiocystis、Halothiobacillus和Thiobacillus为犁底层和渗育层优势固碳细菌。TF土壤耕作层以Thiobacillus、Thiocystis、Acidihalobacter、Sulfuritalea、Halothiobacillus和Rhodopseudomonas为主要优势固碳菌属;犁底层土壤以Halothiobacillus、Thiocystis、Sulfuricella、Thiobacillus为主要优势固碳菌属;渗育层土壤以Magnetospirillum、Halothiobacillus和Thiocystis为主要优势固碳菌属。这些不同发生层土壤优势固碳菌大多属于化能自养菌，且多与硫氧化作用相关。 采用13C-DNA-SIP技术与Illumina Miseq高通量测序技术相结合的方法分析cbbM基因多样性，研究稻田土壤耕作层中活跃的固碳细菌类群。FG土壤中活跃的RubisCOⅡ型自养微生物类群以Thiobacillus(26.92％)、Sulfuritalea(22.13％)、Acidihalobacter(12.59％)、Thiohalospira(10.08％)、Halothiobacillus(2.08％)和Acidithiobacillus(1.86％)为主。TF土壤主要是Sulfuritalea(15.92％)、Thiohalospira(6.30％)、Acidihalobacter(3.41％)、Thiobacillus(1.21％)、Rhodovulum(1.06％)、Acidithiobacillus(1.01％)为优势类群。两种土壤优势菌属类群差异较大，但都以专性和兼性的硫氧化细菌为主。

目录

声明

摘要

符号与缩略语说明

第一章文献综述

1．2自养微生物六种固碳途径

1．3 RubisCO研究进展

2高浓度CO2对土壤微生物的影响

2．2高浓度CO2对土壤微生物群落结构的影响

2．3其它因素对土壤微生物的影响

3环境微生物研究常用方法

3．1荧光定量PCR技术

3．2 T-RFLP技术

3．3稳定性同位素探针技术

3．4高通量测序技术

4研究背景和主要内容

4．1研究背景和意义

4．2研究内容

4．3技术路线

第二章CO2浓度升高条件下土壤不同固碳途径marker基因丰度

1材料与方法

1．1土壤样品采集及处理

1．2高浓度CO2室内培养

1．3土壤总DNA提取

1．4荧光定量标准品制备

1．5 Marker基因绝对定量

1．6变异系数计算

2实验结果

2．1土壤DNA提取

2．2定量PCR标准品制备

2．3 Marker基因拷贝数

3讨论

4本章小结

第三章CO2浓度升高条件下土壤微生物cbbM基因多样性

1材料与方法

1．1土壤样品采集及处理

1．4 cbbM基因扩增及高通量测序

1．5数据分析

2结果

2．1 cbbM基因PCR扩增

2．2 cbbM基因高通量测序分析

3讨论

4本章小结

第四章稳定性同位素标记土壤固定CO2自养微生物

1材料与方法

1．1土壤样品采集与处理

1．2微宇宙培养

1．3提取土壤总DNA

1．4氯化铯超速密度梯度离心

1．5荧光定量分析

1．6 cbbM基因高通量测序

1．7数据分析

2结果

2．1分层样品cbbL基因相对丰度

2．2 cbbM基因高通量测序分析

3讨论

4本章小结

全文总结

创新点

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢