楚科奇海微生物多样性和氮循环时空动态变化及其驱动力

The Arctic is undergoing significant and steepest change of atmosphere, ocean, land, and ecology, whose effects on microbial physiology, behavior, community structure and ecological function are increasingly remarkable. Marine microorganisms play key roles in global biogeochemical processes. However, the relationships between environmental factors and latitudinal change of microbial diversity, distribution pattern, community structure, and ecological functions in the Arctic ocean under interannual time scale remain unclear up to now. This project, based on China Polar Environment Comprehensive Investigation and Assessment Program, will take microorganisms in the Chukchi Sea as the study subject. Bacterial and archaeal diversity, distribution pattern, community structure of sediments along latitudinal gradient will be investigated by High-Throughput Sequencing under interannual time scale. Clone library and Real-time PCR will also be employed to analyze diversity and abundant of function genes involved in nitrogen cycling. The environmental and biogeochemical parameters will be used to evaluate the linkages between microbial diversity, community structure, and nitrogen cycling and environmental factors by bioinformatic and statistical methods. These results may be conducive to illuminate response mechanisms of microorganisms and ecological functions to environmental change, which is significant important for us to strengthen understanding to Arctic change.

北极正经历着大气、海洋、陆地、生态的重要和快速变化过程，对海洋微生物生理功能、行为以及群落结构和生态功能的影响越来越显著。海洋微生物在全球生物地球化学循环中发挥着重要作用，但目前关于北极微生物在年际时间尺度下沿纬度梯度的多样性、分布、群落结构及氮循环变化与环境作用关系还不是很清楚。本项目拟在所依托单位参加北极科考的基础上，以楚科奇海微生物为研究对象，基于高通量测序技术开展年际时间尺度下沉积物细菌和古菌多样性、分布格局和群落结构等沿纬度梯度变化研究，并采用克隆文库和实时定量PCR技术开展氮循环相关的功能基因多样性和各类群功能基因丰度研究；同时结合环境及生物地球化学参数，利用生物信息学手段以及统计学方法，揭示楚科奇海微生物多样性、分布格局、群落结构及硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化等生态功能与环境变化关系。上述研究有助于阐明北极微生物和生态功能对海洋环境变化的响应机制，加深对北极变化认识。

极地的气候变化比地球上任何地域都显著，是感知全球气候变化的先行者。极地海洋微生物对环境变化非常敏感，微生物多样性、群落组成以及生态功能发生了显著的变化。因此，极地区域是研究海洋微生物与环境作用关系以及海洋微生物对环境变化响应的理想对象。本项目以极地海洋微生物为研究对象，揭示了细菌和古菌分类和氮循环功能类群多样性和群落结构的时空分布格局以及驱动力。主要发现如下：时间和空间变化均会对细菌和古菌群落多样性、群落结构以及氮循环相关微生物多样性和群落结构的分布格局产生巨大影响。然而，细菌和古菌的分布格局具有显著区别。细菌群落多样性随时间进行而升高，而古菌群落多样性并没有呈现明显增加的趋势。细菌群落多样性随纬度升高而降低，而古菌群落多样性变化趋势不明显。群落结构分析同样证明随着时间和纬度变化细菌群落比古菌变化更为显著。此外，研究还发现时间和纬度也会对氮循环微生物多样性、群落组成以及分布格局产生重要的影响。参与氮循环的细菌主要为变形杆菌，古菌主要为奇古菌。进一步研究表明环境与细菌和古菌群落变化具有很好的一致性，但是随机过程在群落构建过程中同样具有重要的作用，而且这种确定性和随机过程在时间和空间尺度上对群落构建的影响存在区别。除此之外，不同类群的细菌和古菌生理生化特性以及物种之间的相互作用关系也会影响群落结构和构建。上述结果为阐明北极微生物和生态功能对海洋环境变化的响应机制奠定了基础，有利于加深对北极变化的认识。