腾冲热泉生态系统中栖热菌类群动态及其对环境因子变化的响应机制研究

Terrestrial hot springs system is one kind of extreme environments and the material circulation as well as energy flowing of the hot spring ecosystem is mainly due to the existed thermophiles. The genus Thermus has been widely distributed in hot spring ecosystem among the world and play important roles in the biogenic element biogeochemical cycle process. The deep understanding of population dynamics of the genus Thermus and its responses to environmental variables is of significance to know of forming and adaptive mechanism of microbial population under high temperature environment and understanding of the biogenic element biogeochemical cycle process in hot springs ecosystem. This project proposes to study the dynamic characters of species abundance and population structure of the genus Thermus along with the environmental variables in Tengchong hot springs and to isolate the Thermus strains and to investigate the physiologic and ecologic functions of those Thermus strains according to an integrated approach including geochemistry, molecular ecology, and microbiology. With statistical analysis, the factors controlling the population dynamics of the genus Thermus in Tengchong hot springs will be evaluated, and the mechanisms for its population dynamics response to environmental variables will be investigated.

陆地热泉作为极端环境的典型代表，其系统下的物质循环和能量流动主要是由高温微生物来驱动。栖热菌类群广泛分布于各类热泉系统中并在热泉生态系统生源元素的生物地球化学循环过程中扮演重要角色，深入研究该类群的时空动态对环境因子的响应及其机制，具有重要的理论意义和应用价值。本项目以云南腾冲典型热泉为研究对象，采用地球化学、分子生态学、生理学、基因组学和统计学等分析技术和手段，研究腾冲热泉生态系统中栖热菌类群丰度和类群结构在时间、空间尺度上的变化规律，纯培养菌株的多样性及生理特性，揭示其类群动态对环境因子变化的响应规律并结合纯培养菌株的生理特性，全基因组信息探索其响应机制。本项目的开展，对认识腾冲高温热泉环境下生源元素的生物地球化学循环过程中微生物所起的作用、微生物种群的形成及其对环境因子的响应适应机制具有重要意义。

热泉作为极端环境的典型代表，蕴藏着丰富而独特的高温微生物资源。同时热泉环境地化背景清晰，微生物群落组成简单，是开展微生物生态学和群落功能研究的模式系统。栖热菌类群广泛分布于各类热泉系统中并在热泉生态系统生源元素的生物地球化学循环过程中扮演重要角色，深入研究该类群的时空动态对环境因子的响应及其机制，具有重要的理论意义和应用价值。基于此本项目在前期工作的基础之上，项目组对包括腾冲在内的滇藏地热区选择48个代表性热泉，以栖热菌类群为研究对象，探究该类群在滇藏热泉中的多样性及其反硝化特性。基于16S rRNA基因高通量测序技术和纯培养技术研究结果均表明栖热菌类群广泛分布在滇藏热泉环境中。高通量结果表明其相对丰度范围为0.04-35.63%，其中西藏地区热泉高于云南腾冲地区热泉，但是在多样性方面，云南腾冲地区热泉高于西藏地区热泉。基于纯培养技术，从滇藏热泉共获得369株栖热菌类群菌株，通过多相分类实验技术，鉴定并有效描述栖热菌及栖热菌类群新物种6个，热泉来源其它相关新属1个，新种12个。生理学实验结合基因组分析，表明不完全反硝化特征广泛分布在栖热菌类群菌株中；其反硝化生理特征与其反硝化功能基因的有无基本一致，同一物种的不同菌株其反硝化表型也大致一致；该类群不完全的反硝化特性，可能是其适应高温环境的一种生存对策。本项目有助于理解陆地热泉环境下栖热菌类群的多样性，并为栖热菌类群参与的高温反硝化过程提供科学的理论依据。通过项目组全体成员的共同努力，目前已全面完成了计划的各项任务，共发表学术论文 25篇，其中 SCI 源刊22篇，其它国内外核心期刊论文3 篇；出版英文专著一部。先后培养与本项目有关的博士后3名，博士生6名，硕士生2名。本项目负责人李文均教授于2017年7月当选国际原核微生物系统学委员会国际执委，2018年4月当选伯杰氏国际原核微生物系统学委员会（BISMiS）秘书长；本项目部分成果参与获得2017年度“云南省自然科学二等奖”。