论文部分内容阅读
海洋约占地球表面积的71%,在地球物质和能量循环中起着至关重要的作用。随着“挑战者”号（1872-1876）的第一次全球性科学考察以及大洋钻探计划（Ocean Drilling Program,ODP）和综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program,IODP）的持续实施,已证明深海及海底沉积物环境拥有极其丰富的生物多样性并在驱动元素地球化学循环中发挥重要作用。然而,有关洋底深部生物圈的研究过去主要集中在对原核微生物类群、分布极限、遗传进化规律及生态学功能的研究,而对属于真核生物的真菌类群研究甚少。本研究基于实验室前期从洋底约2km深的沉积物中分离获得的22株可培养真菌,开展了真菌在驱动洋底沉积环境氮循环中的作用研究,重点探究了这些真菌是否拥有异化硝酸盐还原产铵（DNRA）途径以及决定DNRA真菌地质分布的关键环境因素,深入研究了一株聚多曲霉（Aspergillus sydowii）29R-4-F02的遗传基础、DNRA能力及影响因素,为了解洋底深部生物圈真菌的生存机理及在驱动氮地球化学过程中的作用提供科学依据。主要研究结果如下:1、栖息于洋底深部沉积物的真菌多数都具有DNRA能力,其中,曲霉属（Aspergillus）和青霉属（Penicillium）真菌是优势DNRA真菌,但不同菌种或菌株间的DNRA能力存在差异。为了研究不同地质层真菌DNRA能力差异,选取真菌所处环境的18个因素进行主成分分析,降维处理至PC1、PC2两组主要成分,其中水、孔隙率、钙离子,铵根离子对PC1有较高的正向贡献,总有机碳、总碳、盐度、总氮对PC2有较高的正向贡献。洋底沉积环境的真菌DNRA能力与沉积物环境的pH值、碱度、钙离子和铵根离子浓度呈正相关,而与温度、压力、碳酸钙浓度和无机碳含量呈负相关。2、探究了碳源、C/N、底物硝酸盐（NO3--N）浓度、氧气、温度和pH等环境因子对聚多曲霉29R-4-F02菌株DNRA能力的影响,发现碳源对该菌DNRA能力影响较小,但C/N的影响较大。在一定范围内,底物NO3--N（1～10m M）、pH5～9和温度（20～45℃）与该菌的DNRA能力呈正相关。此外,与无氧条件相比,有氧条件显著促进该菌的DNRA能力。3、基因组测序及系统发育分析结果显示,聚多曲霉29R-4-F02菌株的基因组大小为37.19 Mb,共12条contig,平均长度3,381,064.8bp,N50为4,575,881bp,GC碱基含量为50.05%,注释蛋白编码基因12488个,所有编码基因的总长度19,572,123bp,平均长度1,567 bp,编码区总长度占全基因组的52.62%,与杂色曲霉Aspergillus versicolor亲缘关系较近。共线性分析显示洋底来源的聚多曲霉29R-4-F02与陆源聚多曲CBS563.65菌株共线性基因占比86.10%,表明洋底与陆地来源的聚多曲霉进化上相对保守。代谢通路分析发现该菌拥有DNRA途的相关酶基因——硝酸盐还原酶基因nirA和亚硝酸盐还原酶基因nrfA,其中nrfA是DNRA途径的关键酶基因。结构域与基因系统进化树分析显示,聚多曲霉29R-4-F02菌株的nrfA与其它曲霉属的nrfA基因亲缘关系较远,推测洋底来源的聚多曲霉可能拥有特殊的DNRA代谢调控特性。基于上述实验,我们发现洋底深部生物圈真菌普遍拥有DNRA途径,其DNRA能力受到地质环境因素以及遗传基础的综合调控。研究结果对了解洋底真菌的生存机理及其在驱动元素地球化学过程中具有重要的作用。