高通量测序技术研究典型湖泊岸边陆向深层土壤中厌氧氨氧化细菌的群落结构

为研究具有富营养化特征的白洋淀湖泊岸边陆向深层土壤中厌氧氨氧化细菌的群落结构组成,针对厌氧氨氧化的功能基因hzs B(联氨合成酶关键基因)进行高通量测序.结果显示,白洋淀湖泊岸边陆向深层土壤共8个样品处理后共得到77082条序列,在相似度90%下聚类得到40个OTUs.多样性分析(OTUs水平)表明,在白洋淀湖泊岸边近湖岸交界处,上层土壤中厌氧氨氧化细菌的群落多样性要高于下层,而在远湖岸交界处则相反,下层土壤中厌氧氨氧化细菌的群落多样性要高于上层土壤.PCo A分析(OTUs水平)表明,近湖岸交界处采样点各不同深度土壤层之间的厌氧氨氧化细菌的群落结构更相似,而远湖岸界面处采样点各不同深度之间的厌氧氨氧化细菌的群落结构差异较大.群落结构分析表明,在白洋淀湖泊岸边陆向深层土壤中,序列隶属于Candidatus‘Brocadia anammoxidans’(34.07%)、Candidatus‘Brocadia fulgida’(24.66%)、Candidatus‘Jettenia sp.’(3.00%)、Candidatus‘Kuenenia sp.’(0.22%)、Candidatus‘Scalindua sp.’(0.08%)及与Genbank中已探明的厌氧氨氧化细菌亲缘关系较远的Anammox-like cluster(37.98%).相关性分析(p0.10)表明,在白洋淀湖泊岸边陆向深层土壤中,厌氧氨氧化细菌α-多样性指数中丰富度Chao指数与含水率(MC)呈负相关,多样性Shannon指数与氨氮(NH+4)呈负相关,优势度Simpson指数与NH+4呈正相关;但厌氧氨氧化细菌群落组成中Candidatus‘Brocadia anammoxidans’的富集与总碳(TC)及总硫(TS)含量呈正相关.综上,本文针对厌氧氨氧化功能基因hzs B扩增进行高通量测序,一定程度上揭示了具有富营养化特征的白洋淀湖泊岸边陆向深层土壤中厌氧氨氧化细菌的多样性、群落组成及其与土壤环境因子的关系.     

旱地土壤反硝化厌氧甲烷氧化菌的垂向分布特性与活性分析

在厌氧条件下,以亚硝酸盐作为电子受体将甲烷氧化的反硝化厌氧甲烷氧化反应(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,n-damo)的发现,彻底颠覆了人们对甲烷循环的传统理解.通过分子生物学方法及13C和15N稳定同位素示踪技术,对河北省北澧河附近的旱地农田土壤(0~1 m)中n-damo菌的群落结构、丰度和活性进行了研究,深入探究了n-damo菌的亚硝酸盐底物来源.结果显示,n-damo菌更多存在于旱地浅层土壤中,并且随季节变化分布在不同深度的土壤中.针对其pmo A基因的系统发育分析显示,旱地土壤中n-damo菌的群落结构具有明显的空间异质性,来自土壤0~20 cm和40~60 cm土层的序列完全分开,处于系统发育树不同分枝.针对其16S rRNA基因的实时荧光定量PCR结果显示,n-damo菌丰度随土壤深度的增加而降低,夏季丰度(1.44×10~4~1.02×10~5copies·g~(-1))低于冬季(3.66×104~2.67×105copies·g-1).在浅层土壤(0~20 cm)中,硝化反应和反硝化反应共同为n-damo菌提供亚硝酸盐底物来源;而在深层土壤(60~80 cm)中,亚硝酸盐底物主要来源于硝化反应.n-damo菌的活性(0.18 nmol·g~(-1)·d~(-1),以CO_2计)只能在夏季表层土壤(0~20 cm)中检测到,其余深度均未检测到其活性.在旱地农田土壤中,反硝化厌氧甲烷氧化菌对农田碳循环的影响可能不大.     

青藏高原不同海拔梯度厌氧氨氧化细菌丰度及其生物多样性空间分布

厌氧氨氧化作为新型微生物氮循环过程,已经成为国内外研究热点.目前对厌氧氨氧化细菌的研究主要集中在海洋生态系统中,而在陆地生态系统外源氮污染物较少的地区是否存在厌氧氨氧化过程且其在氮循环中发挥的作用,还很少有相关报道.本研究应用分子生物学技术研究了氮污染负荷较低的青藏高原地区不同海拔湿地和旱地土壤样品中厌氧氨氧化细菌的丰度及其生物多样性.结果表明,在青藏高原地区,普遍存在厌氧氨氧化细菌.使用厌氧氨氧化细菌特异性引物HSBeta396f/HSBeta742r进行定量发现,厌氧氨氧化细菌丰度随着海拔的升高而降低.垂向尺度上,海拔较低地区表层样品厌氧氨氧化细菌丰度高于底层样品,海拔较高地区则相反.通过构建厌氧氨氧化细菌系统发育分析发现,青藏高原地区厌氧氨氧化细菌的生物多样性较高,且多数可能属于新型厌氧氨氧化细菌.该区域湿地沉积物样品厌氧氨氧化细菌生物多样性明显低于旱地土壤样品.湿地沉积物样品厌氧氨氧化细菌生物多样性与海拔无明显关系,但旱地土壤样品厌氧氨氧化细菌生物多样性随着海拔的增高有上升趋势.     

旱地深层土壤厌氧氨氧化菌及全细菌群落结构对加水培养的响应变化

为研究旱地深层土壤中厌氧氨氧化菌及相伴随的全细菌的群落结构对水分增加的响应变化,选取西澳大陆Kalgoorlie地区60 m深的典型旱地土壤,采集淀积层和母质层土壤样品,加入纯水或3.5%的盐水进行密闭培养.针对厌氧氨氧化功能基因hzsB基因及细菌16S rRNA基因进行高通量测序.结果显示:初始土壤并未有厌氧氨氧化菌的检出,加水培养3个月之后,开始有厌氧氨氧化菌的检出,此时盐水培养中厌氧氨氧化菌群多样性要高于纯水培养的结果.且纯水培养中,厌氧氨氧化菌群落结构在淀积层和母质层中类似,均以Candidatus ‘Brocadia anammoxidans'为主(92.09%和91.94%),另有一定量的Candidatus ‘Jettenia sp.'(7.43%和7.89%).盐水培养中,淀积层主导种属为Candidatus ‘Brocadia anammoxidans'(50.03%)和Candidatus ‘Jettenia sp.'(40.25%),母质层主导种属为Candidatus ‘Jettenia sp.'(71.20%);继续培养一个月后,盐水培养和纯水培养中厌氧氨氧化菌群多样性均有增加,且盐水培养中厌氧氨氧化菌群多样性依旧要高于纯水培养的结果.此时纯水培养中,淀积层依旧以Candidatus ‘Brocadia anammoxidans'(87.88%)为主导,母质层中Candidatus ‘Jettenia sp.'增长明显,达到50.90%,取代Candidatus ‘Brocadia anammoxidans'(39. 92%)成为主导种属.盐水培养中,Candidatus‘Brocadia fulgida'(45. 19%)与Candidatus ‘Brocadia anammoxidans'(47.99%)共同主导淀积层厌氧氨氧化菌群,母质层中Candidatus ‘Brocadia fulgida'增至73. 14%,取代Candidatus ‘Jettenia sp.'(13.65%)成为主导种属.另外,相伴随的母质层土壤全细菌群落结构在培养过程中相对比较稳定,以厌氧或兼性厌氧的变形菌门(Proteobacteria)占绝对主导(81.84%～95.45%),其中大部分为海洋营生的盐单胞菌科(Halomonadaceae)和希瓦氏菌科(Shewanellaceae).同时厚壁菌门(Firmicutes)在培养过程中出现较明显增长.培养过程中,Candidatus ‘Jettenia sp.'与放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度变化显著正相关(r=0.991,p=0.009),与海洋营生的希瓦氏菌科(Shewanellaceae)的相对丰度变化显著负相关(r=-0.971,p=0.029).综上,本文在一定程度上揭示了水分及盐度的变化对厌氧氨氧化的发生及菌群组成分布的重要影响,进一步拓展了对不同生境中厌氧氨氧化菌生理特性的认识.     

基于hzsB功能基因研究典型湿地沉积物中厌氧氨氧化细菌的群落结构

采用基于厌氧氨氧化细菌功能基因hzs B(联氨合成酶关键基因)PCR扩增的高通量测序,研究了典型湿地沉积物中厌氧氨氧化细菌的群落结构.结果表明,沿纬度梯度分布的10个典型湿地沉积物样品的测序序列经处理后共得到190578条序列,在90%的相似度下聚类得到77个OTUs.基因丰度值显示,10个样品的基因拷贝数在5.42×10~4~4.20×10~6copies·g~(-1)之间.群落组成结果表明,在典型湿地沉积物中,序列主要隶属于‘Ca.Brocadia’(54.09%)、‘Ca.Jettenia’(30.97%)、‘Ca.Kuenenia’(6.95%)、‘Ca.Scalindua’(7.91%).相对丰度结果显示,各样点的主导菌属有差别.多样性分析(OTUs水平)表明,在本研究的湿地沉积物中,低纬度样点的多样性普遍高于高纬度样点.PCo A分析(OTUs水平)表明,各湿地样点厌氧氨氧化细菌的群落组成表现出明显的差异性.相关性分析(α=0.10)表明,在典型湿地沉积物中,厌氧氨氧化细菌的丰度与有机质、总氮、总碳、总硫呈负相关.冗余分析表明,‘Ca.Jettenia’与NH_4~+显著正相关,‘Ca.Scalindua’与盐度显著正相关,‘Ca.Kuenenia’在所有测定理化因子中与盐度的正相关性最显著.综上,针对厌氧氨氧化细菌hzs B功能基因扩增进行高通量测序较好地揭示了典型湿地沉积物中厌氧氨氧化细菌的多样性、群落组成及其与环境因子的关系.