太平洋暖池区深海沉积物中微生物分子生态学研究

【摘要】： 西太平洋“暖池”在全球气候变迁过程中起着举足轻重的作用，是目前气候变迁机制研究的热点，同时也是地球科学研究的焦点之一。本论文首次对“暖池”区海底沉积物中的微生物进行了分子生态学研究，分析了微生物多样性，对由微生物参与的物质能量循环特征进行了探讨，为研究深海生物圈在地球圈层相互作用中的地位提供了参考资料。此外，本文还对采集自太平洋的深海沉积物和南极、北极区域的样品进行了低温微生物的分离培养及低温酶的筛选与性质分析。 通过构建沉积物中微生物16S rDNA克隆文库，采用PCR-RFLP分析、DNA-DNA杂交、16S rDNA序列测定以及系统发育分析的方法，研究了两太平洋“暖池”区和东太平洋“结核”区两个不同海区深海沉积物中的微生物多样性和群落结构特征及其与环境的相互关系，得到了一些与“暖池”区环境特点紧密相关的新发现，新认识。不同海区深海沉积物中的细菌都以紫细菌(Proteobacteria)为主，属于γ-和α-紫细菌亚群的细菌种类和数量均最为丰富；而属于β-亚群的细菌很少。不同海区沉积物中紫细菌类群的差别在于δ-亚群和ε-亚群，这两个亚群的细菌大部分都和硫代谢相关。在“结核”区沉积物中没有检测到属于这两个亚群的细菌，而在“暖池”区沉积物中属于这两个亚群的细菌数量较多(最高可达29％)，并且δ-亚群的细菌呈现随沉积物深度增加而减少的趋势。除了紫细菌之外，CFB类群在“暖池”区沉积物中也是一类较重要的细菌，主要集中在表层沉积物；而在“结核”区没有检测到属于CFB类群的细菌，表明“暖池”区表层存在较多的有机物。古菌的多样性分析结果表明该海区沉积物中的古菌绝大多数属于嗜泉古菌界(Crenarchaeota)，其中包含许多未知的古菌遗传信息。 在“暖池”区沉积物中发现了丰富的与硫及甲烷代谢相关的细菌，对这些细菌的种类组成及其在各层次沉积物中的分布、数量进行了分析，发现该海区沉积物中存在一条完整的硫和甲烷代谢循环途径，它们的代谢在物质能量代谢中占据重要的地位。而16S rDNA克隆文库分析和DNA-DNA杂交的结果表明“结核”区沉积物中这两类细菌数目很少，说明“暖池”区沉积物中的微生物群落结构特征是对环境因素的一种响应，同时也可能是影响该海区深海及海洋环境的一个重要因素。 对深海沉积物和极地环境样品进行了低温微生物的分离和培养，得到了300多株嗜(耐)冷细菌，并对其进行了生长特性的分析。结果表明所有的细菌都能够在低温下(4℃～15℃)正常生长，而在中温范围内(25℃～30℃)的生长状况较差，仅有少数细菌能够在37℃缓慢生长。与深海沉积物相比，嗜冷菌在南极样品中所占的比例较大。采用16S rDNA序列比较的方法对部分低温菌株进行了分子分类与鉴定，结果表明所鉴定的菌株中假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas sp．)和假单胞菌属(Pseudomonas sp．)的细菌占较大比例。 摘要 通过所分离出的嗜(耐)冷细菌的165 rDNA序列的比较分析，对嗜冷海洋细菌的 特异165 rDNA序列进行了探索，并设计了一对引物。初步的分析表明，所设计的PCR 引物能够较好地区分海洋性细菌和陆源性细菌，并且可以用于嗜冷海洋细菌的区分。 采用选择性培养基对深海和极地细菌进行了产低温酶菌株的筛选，最终得到了16 株具有低温蛋白酶或低温几丁质酶活性的菌株，对其中5株活力最高的低温酶产生菌 进行了菌种的分子鉴定，并分析了温度对这五种低温酶的活力、产酶和热稳定性的影 响，为进一步的研究与开发奠定基础。 【关键词】：深海 微生物分子生态 西太平洋暖池 环境响应 低温酶
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：Q17
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 前言14-44
• 1.1 深海环境与生命14-16
• 1.2 深海极端微生物研究进展16-28
• 1.2.1 低温微生物研究进展16-23
• 1.2.2 嗜压微生物23-24
• 1.2.3 海洋古菌24-28
• 1.3 深海微生物的生态学意义28-30
• 1.4 极端微生物分子生态学研究进展30-42
• 1.4.1 微生物分子生态学的主要方法与技术30-34
• 1.4.2 基于rRNA分子的微生物生态学技术34-37
• 1.4.3 潜在的问题37-38
• 1.4.4 深海微生物分子生态学研究的几个热点38-42
• 1.5 本研究的思路目的意义42-44
• 2 材料与方法44-61
• 2.1 材料44-53
• 2.2 基本方法53-61
• 3 结果61-100
• 3.1 深海、南北极微生物的分离与生长特性61-63
• 3.2 嗜冷微生物的鉴定63-69
• 3.2.1 基于生理生化特性的鉴定63
• 3.2.2 以16S rRNA基因为指标的菌种分类与鉴定63-69
• 3.3 深海沉积物微生物多样性与群落结构特征及其与环境的相互关系69-95
• 3.3.1 深海沉积物中细菌多样性及其群落结构分析69-87
• 3.3.1.1 16S rDNA序列扩增69-70
• 3.3.1.2 16S rDNA序列RFLP分析70
• 3.3.1.3 细菌16S rDNA克隆文库构建70-71
• 3.3.1.4 西太平洋“暖池”区WP0102站位沉积物中细菌多样性分析71-83
• 3.3.1.5 西太平洋“暖池”区WP0104站位沉积物中细菌多样性分析83-85
• 3.3.1.6 东太平洋“结核”区深海沉积物中细菌多样性分析85-87
• 3.3.1.7 不同海域深海沉积物中细菌多样性比较分析87
• 3.3.2 深海沉积物中古菌多样性分析87-91
• 3.3.3 深海沉积物中微生物群落结构与环境的关系分析91-95
• 3.4 嗜冷海洋微生物分子特征的初步探索95-96
• 3.5 低温环境中(深海、极地)低温酶性质的初步研究96-100
• 3.5.1 温度对酶活力的影响96
• 3.5.2 温度对菌株产酶的影响96-99
• 3.5.3 温度对酶稳定性的影响99-100
• 4 讨论100-109
• 4.1 样品的采集与处理100
• 4.2 深海、极地低温微生物生长特性的差异100-101
• 4.3 低温微生物的鉴定101-102
• 4.4 极端环境微生物分子生态学研究的几个认识102-103
• 4.5 深海沉积物中的微生物区系组成分析103-105
• 4.6 深海沉积物中的微生物与环境的相互关系105-106
• 4.7 嗜冷细菌16S rRNA基因的分子特征106-107
• 4.8 深海、南极等低温环境低温酶的一些特征107-109
• 5 总结109-110
• 参考文献110-134
• 致谢134-135
• 附录一 博士研究生期间发表的论文135-136
• 附录二 采样记录表136-139
• 附录三 菌种分离记录139-159
• 附录四 质粒图谱159-160
• 附录五 采样装置160-161

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