青藏高原典型湖泊总微生物群落与固碳微生物功能群特征研究

Tibetan Plateau (TP) hosts thousands of saline and alkaline lakes, approximately 49,000 km2 in total, representing 49% of all Chinese lake area. This lake region represents the Earth's highest in altitude and the largest in area on the Earth. This is true to saline and alkaline lakes. Increasing evidence has documented that CO2-fixing microbes widely inhabit in saline and alkaline aquatic environments with low temperatures, providing primary production to these extreme ecosystems. However, knowledge of CO2-fixing microbial community remains obscure in the Tibetan lakes. Thus, characterizing CO2-fixing microbial community in the Tibetan lakes characteristic of low temperature and high UV has been one of the most important questions with the background of the global CO2 rise. This proposal herein aims to study the overall and CO2-fixing microbial community properties (abundance, diversity, evolution, gene expression, CO2-fixing potential, spatial and temporal patterns) and driving factors of the overall and CO2-fixing microbes in saline and alkaline lakes along a precipitation gradient on the TP. This will unveil CO2-fixing microbial community characteristics and its role in balancing carbon budget in this region.

青藏高原湖泊总面积4.9万平方公里，占全国湖泊总面积49％，是世界海拔最高、面积最大的湖泊群和盐碱湖群。固碳微生物在低温、盐碱环境中广泛存在，并为这些极端环境生态系统提供初级生产力。然而，青藏高原湖泊微生物固碳生命过程及其固碳能力尚未研究。因此，全球CO2增加情景下研究青藏高原高海拔、低温、高紫外及不同盐度湖泊中固碳微生物功能群特征及其固碳能力成为最紧迫的重大科学问题之一。该项目依托中国科学院青藏高原研究所野外台站，采用分子生物学与环境因子分析方法，将研究青藏高原13个不同盐度湖泊水体和沉积物中总微生物群落（细菌、真菌和古菌）和固碳微生物功能群特征、适应性进化、固碳能力、时空分布（不同湖泊、不同深度、不同季节）及其环境因子驱动机制，揭示总微生物群落与固碳微生物功能群种属分化特征，认识高寒湖泊微生物群落特征及固碳能力，为评估湖泊微生物固碳对青藏高原地区碳收支平衡的贡献提供基础数据和理论依据。

青藏高原分布着地球上海拔最高、面积最大的盐碱湖泊群，微生物在青藏高原湖泊生态系统的生物地球化学循环中起着重要的作用。固碳微生物在低温、盐碱环境中广泛存在，并为这些极端环境生态系统提供初级生产力，对湖泊有机质的积累影响巨大。然而，青藏高原湖泊微生物，尤其是固碳微生物的群落特征及其环境驱动机制尚不明确。本项目应用16S rRNA高通量测序、荧光定量PCR、T-RFLP及克隆文库构建等分子生物学技术分析了青藏高原近30个不同盐度湖泊湖水总微生物及固碳微生物群落结构及其环境驱动因子，对青藏高原湖水中的可培养微生物进行室内培养获得了极端环境特色微生物菌种资源，并利用同位素标记培养方法测定了青藏高原26个不同盐度湖泊的固碳潜力。研究发现：1）青藏高原湖水中微生物多样性丰富，不同盐度梯度的湖泊中微生物的群落组成差异明显且主要受到湖水盐度的影响，超盐湖湖水中嗜盐微生物广泛存在、群落结构单一。2）青藏高原湖水中固碳微生物群落结构随盐分含量的变化而显著不同，主要可分为淡水湖（盐分<1‰）、盐湖（1~29‰）及超盐湖（盐分>29‰）三类。3）淡水湖固碳微生物基因丰度随着盐分的增加而增加，盐湖湖水中固碳微生物基因丰度随着盐分含量的升高而降低。4）淡水湖及盐湖湖水中固碳微生物群落多样性随盐度升高而降低，但是养分含量及温度的升高显著缓解了盐分的抑制效应。5）青藏高原湖水的固碳潜力巨大，可达到18 mg C/L d（10~30 mg C/L d），盐湖生产力高于淡水湖及超盐湖。6）青藏高原湖水的固碳潜力与form ID/IAB cbbL基因丰度极显著正相关。7）青藏高原淡水湖、盐湖及超盐湖湖水中可培养微生物的种类不同，盐度和溶解氧是其主要的环境影响因子。通过本项目的研究，明确了青藏高原不同盐分湖泊中微生物及固碳微生物的群落结构主要受到盐分的调控，而养分则可以有效缓解盐分的抑制效应；青藏高原湖泊固碳潜力巨大，其中from IAB及ID 类微生物是主要的固碳功能执行者。