2019, Vol. 39文章信息
- 刘金波, 孔维栋, 王君波, 刘晓波, 张国帅, 康世昌
- LIU Jinbo, KONG Weidong, WANG Junbo, LIU Xiaobao, ZHANG Guoshuai, KANG Shichang
- 纳木错湖水体固碳微生物数量、群落结构及其驱动因子
- Abundance, community structure, and the driving factors of Carbon fixing microorganisms in the Nam Co Lake
- 生态学报. 2019, 39(8): 2772-2783
- Acta Ecologica Sinica. 2019, 39(8): 2772-2783
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201805081021
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文章历史
- 收稿日期: 2018-05-08
- 网络出版日期: 2019-01-18
2. 中国科学院青藏高原研究所, 青藏高原环境变化与地表过程重点实验室, 北京 100101;
3. 西南医科大学附属医院, 肝胆外科, 泸州 646000
2. Key Laboratory of Tibetan Environment Changes and Land Surface Processes, Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
3. Department of Hepatobiliary Surgery, the Affiliated Hospital of Southwest Medical University, Luzhou 646000, China
湖泊是驱动水体地球元素循环和生态系统运行的关键系统之一, 是地球表层系统碳循环的主要场所。微生物是驱动湖泊碳循环的关键, 微生物组成研究对揭示其结构与功能至关重要。然而, 我国在湖泊碳循环微生物驱动机制方面的研究还处于起步阶段[1]。
在自然界中, 微生物有多种CO2固定途径, 包括卡尔文循环途径, 厌氧乙酰辅酶A途径、还原性三羧酸循环途径、3-羟基丙酸途径、3-羟基丙酮/4-羟基丁酸循环途径、琥珀酰辅酶A途径、草酰乙酸盐途径、嘧啶和嘌呤核苷酸途径等[2-3]。其中, 卡尔文循环(CBB)途径广泛存在于真核藻类和自养原核细菌中[4-5]。核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶/加氧酶(RubisCO)是CBB途径中的一个关键的酶, 它催化CO2固定到生物圈的第一步反应。RubisCO酶含有大小两个亚基, 最保守的位点位于大亚基。功能基因cbbL编码RubisCO酶的大亚基, 可分成4种类型(form Ⅰ—Ⅳ), 其中, form I是自养微生物中最主要的类群。Form I RubisCO可以进一步被分为不同的类型forms IA, IB, IC和ID[6]。cbbL基因已经被广泛用于系统发育生物标志物来研究不同环境条件下自养微生物的群落结构和多样性[7-11]。
尽管前人利用RubisCO基因调查了许多不同生境类型的固碳微生物群落多样性, 但是在高寒湖泊环境中进行的研究相对较少。目前, 南极湖泊中的微生物群落结构及其在元素地球化学循环的作用已取得一些重要进展[9-10, 12-15]。在一个永久冰覆盖的南极湖泊中, 含cbbL ID RubisCO基因的微生物是主要的固碳微生物类群[9]。青藏高原是世界上面积最大且海拔最高的高原, 该区域气候独特, 湖泊广泛发育, 数量大和类型多。此外, 这些湖泊受人为活动影响相对较小, 有利于研究自然状态下湖泊微生物群落组成及其对环境的响应。但作为世界第三极的青藏高原湖泊中微生物生态学研究还处于起步阶段, 目前主要是研究湖泊水和沉积物中细菌及古菌群落结构[16], 以及环境因素(例如, pH、盐度、碱度和地理距离等)对细菌、古菌、以及真核生物群落结构和多样性的影响[17-21]。但是, 湖水中哪些微生物参与固碳作用的研究还罕见报道。青藏高原湖水固碳微生物群落组成和多样性还不清楚。因此, 研究青藏高原湖水固碳微生物群落特征具有重要的生态学意义。
本研究以青藏高原纳木错为例, 研究湖水中固碳基因丰度、群落组成, 并初步探讨其驱动因子。
1 研究区域与方法 1.1 纳木错概况纳木错位于藏北高原东南部, 西藏自治区当雄和班戈县境内, 介于30°30′—30°35′N, 90°16′—91°03′E之间。湖水主要依赖位于其南缘的念青唐古拉山脉冰雪融化补给。纳木错湖面海拔4718 m, 总面积为1982 km2[22]。是我国第二大咸水湖, 也是世界上海拔最高的咸水湖, 纳木错湖地区基本不受人为影响, 纳木错湖水深超过90 m[23]。
1.2 样品采集以及水质参数测定2012年9月在纳木错湖从东到西的方向上分别采集4个样点的水柱样本, 分别标记为T0(N：30°47.782′, E：90°58.133′), T1(N：30° 47.031′, E：90°49.473′), T2(N：30°44.573′, E90°45.317′)和T3(N：30°38.025′, E：90°28.634′), 采样位置如图 1所示。根据每个位置湖水深度, 水样用采水器直接采集, 分层取表层到最底层, 并用1 L无菌广口瓶保存, 每层水样3次重复, 采集后置于冰盒中带回纳木错野外综合观测实验站。在实验室采用0.45 μm孔径滤膜进行过滤, 所用装置为六联过滤器(Millipore, 美国)。过滤完毕带有水体微生物的滤膜保存在5 mL无菌冻存管中(Corning, 美国), 置于-80℃冰箱中冻存备用。采集水样的同时, 利用美国哈希公司生产的Hydrolab DS5多参数水质仪在野外工作现场对垂直剖面上的水质数据进行采集[24]。
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| 图 1 纳木错采样位置示意图 Fig. 1 Nam Co sampling sketch map T0：终端0, Terminal 0；T1：终端1, Terminal 1；T2：终端2, Terminal 2；T3：终端3, Terminal 3 |
分别取滤膜在无菌操作台上剪碎, 之后采用DNA提取试剂盒(MP)进行总DNA提取。DNA浓度和质量采用Nanodrop 2000(Thermo, 英国)进行测定。采用引物cbbL ID-F(5′-GATGATGARAAYATTAACTC-3′)和cbbL ID-R(5′-ATTTGDCCACAGTGDATACCA-3′)[4]对样本cbbL ID基因丰度进行定量PCR检测。采用绝对定量法, 以含有目标片段的质粒10倍稀释做为标准曲线。所有定量PCR均采用荧光标记法, 所用试剂为SYBRGreenII(宝生物, 大连), 所用仪器为LightCycler® 480 system(Roche, 美国)。反应体系为20 μL, 包括10 μL SYBR预混液(TaKaRa, 大连), 10—20 ng DNA, 0.6 μmol/L上/下游引物。扩增条件为, 95℃预变性2 min, 之后是35个循环的定量PCR。94℃变性30 s, 退火温度52℃, 在72℃收集荧光信号, 检测结果用定量PCR仪专用分析软件进行计算。同时对cbbL IA/B[25]以及cbbL IC[26]基因丰度进行检测, 检测方法相同, cbbL IA/B的退火温度为54℃；cbbL IC的退火温度为52℃。
1.4 样本克隆文库及测序分析根据基因丰度的结果, 对丰度较高的cbbL ID基因进行克隆文库构建和系统发育分析。选取水深度较深且代表湖水面积较大的T2(0 m, 5 m, 20 m, 60 m, 80 m和底层)和T3(0 m, 5 m, 10 m, 20 m, 40 m和底层)水样进行克隆文库构建和测序。每层水样3次重复分别采用cbbL ID-F/R引物进行PCR扩增, 扩增条件同定量PCR。3个重复产物混合进行凝胶电泳检测, 采用胶回收试剂盒(Axygen)对PCR产物进行切胶纯化。将切胶纯化的PCR产物采用PEGM-T载体连接试剂盒(Promega)转到DH-5α感受态细胞中, 进行蓝白斑筛选, 每个样本选取阳性克隆35—70个送北京华大基因有限公司进行测序。
1.5 数据统计分析与作图不同深度及不同样点间ID类固碳微生物数量ANOVA显著性检验(P < 0.05), 湖水理化性质与固碳微生物数量以及不同类群出现频率之间Pearson相关性分析采用SPSS 18.0进行。基因丰度及理化性质图采用Sigma Plot 10.0绘制。克隆文库测序覆盖度用公式C=1-n/N计算(其中C为覆盖度, 即Coverage, n为文库中只出现一次的克隆数量, N为该文库克隆总数)。测序结果在NCBI上进行Blast比对。采用mothur[27]以97%相似性进行可操作分类单元(OTU)划分, 选取代表OTU采用MEGA5[28]构建系统发育树。构建系统进化树时, 迭代运算1000次。固碳微生物类群在湖水不同深度出现频率, 按每个层中该物种的克隆数占该水层总克隆数的比例计算。
1.6 基因序列号用于构建系统发育树的代表OTU序列均已提交至NCBI的GenBank数据库中, 检索号分别为MH557362—MH557411。
2 结果与分析 2.1 纳木错湖水中固碳微生物数量纳木错湖水中, 固碳基因cbbL ID的丰度最高, 所有样本中cbbL ID基因丰度在2.46×107—6.37×108拷贝/L湖水(图 2)；cbbL I/B基因丰度在7.59×106—3.96×107拷贝/L湖水之间, 仅次于cbbL ID基因(图 2)；cbbL IC基因的丰度最低, 大部分基因丰度在5.16×104—1.17×106拷贝/L湖水之间, 但最底层的基因丰度均高于1.0×107拷贝/L湖水(图 2)。以固碳基因丰度最高的cbbL ID为例, 丰度从表层到底层有增加的趋势, 尤其是在水深大于60 m以及水和底泥交界面的底层最高。T0, T2和T3点的最底层基因丰度显著高于上层(P < 0.05)。成对比较表明, T0点和T1与T2点之间基因丰度差异显著, 其他样点之间无显著差异(P < 0.05)。
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| 图 2 纳木错湖水中cbbL ID, IA/B和IC基因拷贝数 Fig. 2 cbbL ID, IA/B and IC gene copy number in Nam Co lake water T0, T1, T2和T3代表从东到西4个水样剖面采样点, 所有数据为平均值±Se(n=3) |
选取湖泊中心区域水深较深的T2(6层)和西部湖面积较大的T3(6层)代表样品进行克隆文库和测序, 并构建系统发育树。所有样本测序共得到有效序列535条, 去除相似性高的同一序列后, 得到单一序列275条, 经过OTU划分, 共得到代表OTU序列50条。每个样本克隆文库的饱和度均在81.8%—96.6%之间(表 1), 测序数量接近饱和, 能够代表基因文库所有ID功能基因的类型。系统发育分析显示(图 3), 纳木错湖水中含cbbL ID基因的微生物可划分为4个类群, 其中不等鞭毛类(Stramenopiles)占主要地位, 除了在T2点60 m水深出现频率较低外(25%), 其他深度均较高, 最高达到100%, 在相同深度T3点水样中的出现频率高于T2点。第二大类是定鞭藻纲(Haptophyceae), 其在T2点60 m水深出现频率最高(75%), 其他样点较低, 最低的为0, 在相同深度T3点水样中的出现频率低于T2点。蓝藻(Cyanobacteria)出现频率较低, 且只在T2点80 m水样中检测到；隐藻门(Cryptophyta)只在T3点0 m和40 m水层检测到(表 1)。
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| 图 3 纳木错湖水cbbL ID群落系统发育树 Fig. 3 cbbL ID community phylogenetic tree of Nam Co lake water 系统发育树中OTU序列名称为位点+深度+克隆编号+NCBI编号 |
| 深度 Depth |
覆盖度/% Coverage |
蓝藻/% Cyanobacteria |
隐藻门/% Cryptophyta |
定鞭藻纲/% Haptophyceae |
不等鞭毛类/% Stramenopiles |
| 0 m(T3) | 94.12 | 0.00 | 2.08 | 10.42 | 87.50 |
| 5 m(T3) | 97.06 | 0.00 | 0.00 | 6.06 | 93.94 |
| 10 m(T3) | 82.35 | 0.00 | 0.00 | 8.82 | 91.18 |
| 20 m(T3) | 94.12 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 100.00 |
| 40 m(T3) | 83.82 | 0.00 | 6.25 | 0.00 | 93.75 |
| 底层(T3) | 92.65 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 100.00 |
| 0 m(T2) | 98.53 | 0.00 | 0.00 | 45.45 | 54.55 |
| 5 m(T2) | 98.53 | 0.00 | 0.00 | 21.43 | 78.57 |
| 20 m(T2) | 98.53 | 0.00 | 0.00 | 55.56 | 44.44 |
| 60 m(T2) | 97.06 | 0.00 | 0.00 | 75.00 | 25.00 |
| 80 m(T2) | 95.59 | 5.56 | 0.00 | 33.33 | 61.11 |
| 底层(T2) | 91.18 | 0.00 | 0.00 | 5.00 | 95.00 |
| T3：终端3, Terminal 3；T2：终端2, Terminal 2 | |||||
根据代表OTU最相近的物种进行归类, 主要类群的Stramenopiles的多样性最高, 其他3类的多样性低(表 2)。Stramenopiles包括44个代表OTU, 归属于7个纲。分别是属于硅藻门(Bacillariophyta)的硅藻纲(Bacillariophyceae), 脆杆藻纲(Fragilariophyceae)和圆筛藻纲(Coscinodiscophyceae), 以及金藻纲(Chrysophyceae), 黄群藻纲(Synurophyceae), 真眼点藻纲(Eustigmatophyceae)和硅鞭藻纲(Dictyochophyceae)。其中硅藻纲下包括4个已知科：长曲壳藻科(Achnanthidiaceae), 硅藻科(Bacillariaceae), Catenulaceae和双菱藻科(Surirellaceae)和1个未定科的类群；金藻纲下包括3个已知科：单鞭金藻科(Chromulinaceae), 金囊藻科(Chrysocapsaceae)和锥囊藻科(Dinobryaceae)；其他5个纲只有1个科。总计13个科。Haptophyceae共有3个代表OTU, 属于金色藻科(Chrysochromulinaceae)。Cyanobacteria有1个代表OTU, 属于聚球藻科(Synechococcaceae)。另外2个代表OTU与Cryptophyta的Geminigeraceae相似度最大。
| 类 Division |
纲 Class |
科 Family |
OTU编号 OTU ID |
相似度/% Identities |
GenBank号 Accession |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Achnanthidiaceae | T2-D-8 | 92 | KT 943613 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Bacillariaceae | T3-40m-35 | 98 | HF675119 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Bacillariaceae | T3-5m-63/T2-DD-22 | 97/96 | HF675068 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Bacillariaceae | T3-10m-11/T3-40m-40 | 98 | KC736605 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Bacillariaceae | T3-20m-49 | 94 | KC736605 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Bacillariaceae | T3-40m-25 | 95 | HF675067 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Catenulaceae | T2-DD-14 | 99 | KJ463463 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Surirellaceae | T3-10m-18 | 99 | KX120621 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Surirellaceae | T3-60m-67 | 98 | JX032961 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | Surirellaceae | T3-60m-29 | 95 | KX120655 |
| Stramenopiles | Bacillariophyceae | — | T3-40m-22 | 94 | KY693719 |
| Stramenopiles | Coscinodiscophyceae | Stephanodiscaceae | T3-0m-18 | 99 | JQ217354 |
| Stramenopiles | Coscinodiscophyceae | Stephanodiscaceae | T3-0m-49/T2-D-9 | 99/97 | DQ514825 |
| Stramenopiles | Coscinodiscophyceae | Stephanodiscaceae | T3-60m-3/T2-60m-3 | 96 | DQ514825 |
| Stramenopiles | Chrysophyceae | Chromulinaceae | T3-0m-65 | 89 | KJ877675 |
| Stramenopiles | Chrysophyceae | Chrysocapsaceae | T3-10m-12 | 89 | EF165148 |
| Stramenopiles | Chrysophyceae | Dinobryaceae | T3-0m-34 | 86 | EF165156 |
| Stramenopiles | Dictyochophyceae | — | T3-20m-59 | 98 | AB097409 |
| Stramenopiles | Dictyochophyceae | — | T3-10m-44 | 86 | AB097409 |
| Stramenopiles | Dictyochophyceae | — | T3-40m-27 | 86 | HQ710601 |
| Stramenopiles | Eustigmatophyceae | Monodopsidaceae | T3-10m-70/T2-80m-26 | 99/98 | DQ977732 |
| Stramenopiles | Eustigmatophyceae | Monodopsidaceae | T3-40m-68 | 91 | DQ977732 |
| Stramenopiles | Fragilariophycidae | Fragilariaceae | T2-80m-14/T3-0m-21 | 99 | KF959640 |
| Stramenopiles | Fragilariophycidae | Fragilariaceae | T3-5m-59/T2-80m-33/T3-10m-23 | 96 | KF959640 |
| Stramenopiles | Fragilariophycidae | Fragilariaceae | T2-DD-35/T2-0m-58 | 95/92 | KF959640 |
| Stramenopiles | Fragilariophycidae | Fragilariaceae | T2-80m-4/T3-0m-10 | 95 | AB430674 |
| Stramenopiles | Fragilariophycidae | Fragilariaceae | T3-60m-41/T3-20m-44 | 94 | AB430674 |
| Stramenopiles | Fragilariophyceae | Fragilariaceae | T3-10m-24 | 96 | HQ912451 |
| Stramenopiles | Fragilariophyceae | Fragilariaceae | T3-60m-21/T3-60m-28 | 99/93 | HQ828199 |
| Stramenopiles | Synurophyceae | Mallomonadaceae | T3-10m-45 | 89 | JX946355 |
| Stramenopiles | Synurophyceae | Mallomonadaceae | T2-80m-16/T3-0m-64 | 88 | KM590889 |
| Haptophyceae | Chrysochromulinaceae | T2-80m-1/T3-0m-11 | 99 | MG520331 | |
| T2-5m-44 | 92 | MG520331 | |||
| Cyanobacteria | Synechococcaceae | T2-80m-18 | 92 | AM701775 | |
| Cryptophyta | Geminigeraceae | T3-0m-20 | 96 | KP899713 | |
| T3-40m-47 | 93 | KP899713 |
此外, 属于Stramenopiles的44条序列中, 占绝对优势的是Fragilariaceae, 共14个代表OTU, 占该类的31.8%；纳木错湖水中Fragilariaceae的最相似种Fragilaria crotonensis(KF959640)分离自法国的湖泊[29], 相似性为99%。其次是Bacillariaceae, 共7个代表OTU, 占该类的15.9%；纳木错湖水中Bacillariaceae的最相似种是Nitzschia cf. pusilla(HF675119), 这个种曾经在淡水中被分离到[30], 和分离自西班牙河水的Nitzschia draveillensis(KC736605)[31], 相似性均为98%。第三位的是Stephanodiscaceae, 共5个代表OTU, 占该类的11.4%。纳木错湖水中Stephanodiscaceae的最相似种是Stephanodiscus sp.(JQ217354), 相似性为99%；和来源与美国Lake Erie的Stephanodiscus sp. FHTC11(DQ514825)[32], 相似性为99%。Surirellaceae, 共有3个代表OTU, 占该类的6.8%。纳木错湖水中Surirellaceae的最近似种是Surirella brebissonii(KX120621)[33], 相似性为99%。Monodopsidaceae, 共有3个代表OTU, 占该类的6.8%。纳木错湖水中Monodopsidaceae的最近似种是淡水来源的Nannochloropsis sp. MDL3-4(DQ977732)[34], 相似性为99%。Dictyochophyceae纲的一个未知科, 有3个代表OTU, 占该类的6.8%。纳木错湖水中该科的最近似种是分离自日本brackish pond的Helicopedinella tricostata(AB097409)[35], 相似性为98%。Catenulaceae只有1个代表OTU, 占该类的2.3%。纳木错湖水中Catenulaceae的最近似种是Amphora indistincta(KJ463463)[36], 相似性为99%。在2个采样点的12个克隆文库中, 5个主要科的相对比例如图 4所示, 其中占主要的Fragilariaceae在所有克隆文库中均有分布。在T3点水样中的相对比例略高于T2点相同深度水样。除底层外, 均是主要类群。而底层则主要是以Stephanodiscaceae占绝对优势。
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| 图 4 Stramenopiles中5个主要科代表OTUs在克隆文库中的相对比例 Fig. 4 Relative abundance of OTUs within the five main Families of Stramenopiles in the clone libraries 横坐标为每个克隆文库, 克隆文库名字为采样点-深度, 如T3—0 m代表T3采样点, 0 m水样的克隆文库, DD代表最下面一层水样。图中5个科分别是硅藻科(Bacillariaceae), 脆杆藻科(Fragilariaceae), 单珠微藻科(Monodopsidaceae), 圆筛藻科(stephanodiscaceae)和双菱藻科(Surirellaceae) |
纳木错水质比较均一, 各个监测点理化性质差异不大。本研究以湖水最深处T2点为例, 基本理化性质如图 5所示, 水温在表层(0—15 m)较高, 在20 m以下较低, 溶解氧在表层0—20 m有增加趋势, 之后下降。pH从表层到下层呈下降趋势, 叶绿素的含量在表层和底层都很低, 在60 m深处有一个峰值。电导率在表层到底层变化不大, 环境光从表层到底层有下降趋势。相关分析表明cbbL ID基因丰度与水深(r=0.718, P < 0.05)和pH(r=-0.760, P < 0.01)有显著相关。不等鞭毛类(Stramenopiles)和定鞭藻纲(Haptophyceae)出现频率均与叶绿素含量显著相关, 其中不等鞭毛类(Stramenopiles)是负相关(r=-0.894, P < 0.01), 而定鞭藻纲(Haptophyceae)是正相关(r=0.910, P < 0.01)。不等鞭毛类(Stramenopiles)和定鞭藻纲(Haptophyceae)出现频率显著负相关(r=-0.994, P < 0.01)。
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| 图 5 纳木错湖水主要理化性质 Fig. 5 Basic physical and chemical properties in Nam Co Lake water |
本研究中不等鞭毛类(Stramenopiles)是优势固碳微生物类群, 在所有水层样品中出现, 除T2点60 m出现频率较低外, 其他水层均高于40%, 最大的达到100%(表 1)。本研究结果与前人研究结果相似, 例如, 太湖中Stramenopiles是主要的真核生物类群之一, 其出现频率约为22%[37], 此出现频率远低于纳木错湖大部分水层, 与T2点60 m接近。两个湖泊的维度接近, 但其他环境因子差异较大, 纳木错地区海拔大于4800 m, 紫外线辐射较强, 且温度低；而太湖位于我国东部低海拔地区, 海拔低, 紫外线和辐射较纳木错弱, 且温度高于纳木错地区；此外, 纳木错水来源主要是冰川融水, 且人为影响比较小, 湖水寡营养[38-39]；而太湖地区水来源多, 并受人类活动影响较大, 湖水营养盐含量较高[40]。这可能是两个湖中都存在Stramenopiles, 但出现频率差异较大的主要原因。相反, 在永久冰雪覆盖的南极湖泊中, Stramenopiles被报道是主要的固碳微生物类群, 且其出现频率与Haptophyceae的出现频率之间存在此消彼长的关系[9, 15], 这个结果与本研究得到的结果一致。虽然两个湖地理位置差异较大, 但都是极端环境, 属于高寒地区, 且受人为因素影响小。其中南极的Bonney湖处于永久冰川覆盖环境下, 能反映此环境下原始情况。而纳木错湖的结果与其基本一致, 从另一个方面验证了纳木错湖水受到人为因素影响小。此外, Stramenopiles还在非洲碱湖纳库鲁[41], 波罗的海[42]和洞里萨湖[43], 以及Salzkammergut地区到Low Tauern地区不同海拔的高山湖泊[44], 坦噶尼喀湖[45]中被检测到。但其出现频率差异很大, 其中在非洲碱湖纳库鲁只检测到一个克隆[41], 在波罗的海检测到4%—10%[42], 在洞里萨湖可以达到105 L-1水[43]。在不同海拔的高山湖泊中, Chrysophyceae占14.6%, 其他Stramenopiles占9.6%[44]。坦噶尼喀湖中Stramenopiles占35%[45]。说明, Stramenopiles是湖泊中广泛分布的类群, 且耐受极端环境, 是重要的固碳微生物类群。
3.2 固碳微生物主要类群Haptophyceae本研究发现, Haptophyceae的出现频率仅次于Stramenopiles。纳木错湖中代表OTU最相近的是淡水来源的Chrysochromulina parva(MG520331), 相似度为99%。在本研究中, 其出现频率在T2点60 m处最多, 并且与叶绿素含量有关。这个种在中国最早在武汉东湖被发现[46]。此种在冬季出现, 春末消失, 高的种群密度在水温为6—8℃时形成[46]。说明此种比较耐寒, 与纳木错地区条件类似。Chrysochromulina parva是世界广泛分布的种类, 生长在寒带、温带、热带和亚热带地区的湖泊、水库、池塘和河流中, 湖泊中发现的占多数[46]。最近, 有研究报道在加拿大安大略湖中此类群被一种病毒所侵染[47]。Chrysochromulina parva是南安第斯湖中重要的类群[48-50]。夏季的几个月里, 在寡营养的南安第斯湖中观察到了一种独特的深层叶绿素的发展。最深的叶绿素位于共光区的极限附近, 刚好低于金属离子的上限[49]。此外, 有研究报道在梅洛米茨湖中存在暗碳固定[51]。Haptophytes主要是单细胞水生生物, 主要是海洋光合作用真核生物, 淡水中的研究较少[52]。然而, 在一些湖中的小型真核生物, 主要的克隆最相近的是Chrysochromulina parva[53-54]。在一个寡营养亚高山湖泊中, 单细胞淡水蓝藻Synechococcus和混合营养的鞭毛藻类(Chrysochromulina parva为主要类群)被证明是与湖泊功能相关的类群[55]。以上Chrysochromulina parva为主要类群的大部分湖泊基本上都是寡营养的, 可见Chrysochromulina parva在寡营养淡水环境中具有重要的生态位, 在淡水生态系统碳固定中起重要作用。
3.3 固碳微生物群落驱动因子纳木错湖泊中存在大量的固碳微生物, 其中ID类cbbL基因丰度最高且与湖水深度和pH显著相关。本研究结果与在南极冰下湖中结果相似[9]。这些结果说明, 湖水深度和pH对固碳基因丰度有影响。类似的, pH被发现是调控湖水中需氧的不产氧光养细菌的多样性和群落结构的潜在因子[20]。有研究报道, 湖水中真核生物的遗传多样性与湖水营养状态有关[37, 56]。沿海拔梯度高山湖泊的原生生物多样性差异受到多个因素的影响, 其中pH和营养浓度是最重要的[44]。此外, 纳木错湖水中不等鞭毛类(Stramenopiles)的出现频率与叶绿素含量显著相关, 这与在南极冰下湖的结果一致[9]。有研究报道色素组成是影响不等鞭毛类(Stramenopiles)生态演替的关键因子之一[57]。在本研究中, 采集一个时间点的水样, 纳木错湖中Stramenopiles占绝对优势, Haptophyceae只在T2点60 m的出现频率较高。而在Bonney两个采样时间点中, 6 m(ELB)和10 m(WLB)的水样, 一个时间点是Stramenopiles占绝对优势, 而另一个时间点是Haptophyceae占绝对优势；而13 m的水样, 2个时间点均以Haptophyceae占绝对优势[9]。其原因是在不同的时间点和采样点, 水体的环境因素发生改变, 影响了两者出现频率。在本研究中, 两种固碳微生物类群的出现频率与水体中叶绿素含量显著相关, 在叶绿素含量出现峰值的60 m水样中, Haptophyceae的出现频率最高(75%), 而其他层则以Stramenopiles为优势类群(表 1)。在Bonney湖中, 13 m也是叶绿素含量出现峰值的水层[9]。这进一步说明, 叶绿素含量是调控两者在湖水中出现频率的主要环境因子。
4 结论在纳木错湖水中存在丰度较高的含cbbL ID基因的固碳微生物, 从表层到底部有增加的趋势, T2底层达到最高值(6.37×108拷贝/L湖水)。T0, T2和T3点的最底层基因丰度显著高于上层(P < 0.05)。成对比较表明, T0和T1与T2之间差异显著, 其他样点之间无显著差异(P < 0.05)。含cbbL ID基因固碳微生物群落组成主要是不等鞭毛类(Stramenopiles)和定鞭藻纲(Haptophyceae), 以及个别层出现少量的蓝藻(Cyanobacteria)和隐藻门(Cryptophyta)。Stramenopiles具有较高的多样性, 包括7个纲和13个科。其他类群只有1个科。Stramenopiles中占主要的是Fragilariaceae, 占该类群的31.8%；其次是Bacillariaceae, 占该类群的15.9%；第三位的是Stephanodiscaceae, 占该类群的11.4%。其他科的比例均小于10%。相关分析表明, 不等鞭毛类(Stramenopiles)和定鞭藻纲(Haptophyceae)出现频率之间存在显著的负相关关系。湖水深度和pH与cbbL ID基因丰度显著相关。叶绿素含量与不等鞭毛类(Stramenopiles)和触丝藻纲(Haptophyceae)出现频率显著相关。表明纳木错湖水中的cbbL ID基因丰度较高, 群落组成大类较单一, 但Stramenopiles类多样性高。影响基因丰度的主要因素是湖水深度和pH, 影响群落组成的主要因素是叶绿素含量。
致谢: 感谢王明达和杨瑞敏在湖泊采样和湖水理化性质测定中的帮助, 感谢纳木错多圈层综合观测研究站对采样过程提供的帮助。| [1] |
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