湖北和尚洞固氮微生物群落的生境特异性及网络分析

摘要

岩溶洞穴是喀斯特地貌的重要组成部分,由于其长期黑暗、寡营养等极端条件,使其成为研究陆地深部生物圈的天然实验室。尽管近年来对洞穴微生物多样性的研究不断深入,但对洞穴中固氮微生物的认识却相对薄弱。【目的】查明洞穴中固氮微生物群落的特征以及与生物、非生物因子之间的关系。【方法】本文以湖北和尚洞为例,通过对固氮菌功能基因nifH进行高通量测序和多元统计分析,系统研究了洞穴内外3种生境(洞穴上覆土壤、洞内松散沉积物以及风化岩壁)固氮微生物群落的空间分布特征及其与环境因子之间的关系。【结果】结果表明和尚洞不同生境间固氮菌群落α多样性存在显著差异(P<0.05),以洞穴上覆土壤α多样性最高,洞穴内沉积物α多样性最低。K^(+)、NO_(2)^(-)和NO_(3)^(-)是驱动和尚洞固氮微生物群落组成的重要因子。和尚洞内固氮菌群落组成和分布具有生境特异性,除慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)在3种生境中相对丰度均较高外,上覆土壤以地杆菌属(Geobacter)占主导,洞穴沉积物以固氮菌属(Azotobacter)占主导,而风化岩壁中地杆菌属(Geobacter)、固氮菌属(Azotobacter)以及需盐红螺菌属(Halorhodospira)等主要类群占比相当。共现性网络分析结果显示洞穴固氮菌之间形成了紧密的正相关关系,暗示着固氮菌在洞穴寡营养的极端环境中以协作为主的生存策略。值得注意的是,洞穴固氮菌中有很大一部分未分类的类群,暗示着洞穴中可能蕴含着大量新的固氮类群,是挖掘微生物暗物质的热点区域。【结论】该研究结果揭示了地下黑暗寡营养的和尚洞固氮微生物群落的组成,对深入了解地下黑暗生物圈的氮循环过程、固氮菌与环境之间以及固氮菌种群之间的互作关系具有重要意义。