青藏高原湖泊聚球藻和聚球藻病毒群落对环境、气候变化的响应

The Tibetan lakes are sensitive indicators of climatic changes. Arid-humid or cold/warm climatic fluctuations can result in changes of lucstrine environments. As a response to these changing conditions, biota inhabiting in these lakes have to adapt or even become extinct. Synechococcus spp. (a group of cyanobacteria) and their virus (cyanophage) are widely spread in aquatic ecosystem and are known to adapt to changing environments. Physiological adaption is based on genetic adaption. In this research, we propose to use an integrated approach including molecular biology and geochemistry to 1) investigate the spatial changes in diversity and abundance of Synechococcus spp. and their viruses and correlation with environmental changes (e.g. salinity, temperature, pH) in lakes on the northeastern Tibetan Plateau, and thus assess the responses of Synechococcus spp. and their viruses to environmental changes; and 2) analyze the temporal changes in communities of Synechococcus spp. and their viruses based on fossil DNA preserved in lake sediments, and thus study the responses of the communities of Synechococcus spp. and their viruses to climatic events, such as transitions of cold-warm, dry-wet. The successful execution of this project will provide basic data to evaluate biological responses to environmental and climatic changes, and theories for application of fossil DNA-based microbial ecology in reconstructions of paleo-environment and paleo-climate.

青藏高原湖泊是气候变化的敏感指示器，气候的干湿和冷暖转换会引起湖泊环境变化，而栖息其中的生物不得不对环境的变化做出适应性的响应或因不能适应而逐渐消失。在水体中广泛分布聚球藻（Synechococcus spp.）和聚球藻病毒也不例外。生物体的适应性决定于基因的适应性。本课题将采用分子生物学技术和地球化学相结合的分析方法，首先，在空间上研究不同湖泊水体中聚球藻及其病毒群落特征与湖泊水体环境之间的相互关系，分析聚球藻藻及其病毒类群对环境变化的响应；同时，在时间上，以连续的青藏高原湖泊沉积柱为载体，用保存在沉积物的古DNA研究青海湖和库赛湖上万年以来气候环境变化对聚球藻及其病毒群落组成和丰度的影响。在综合分析现代和古代聚球藻及其病毒群落结构对气候环境变化响应的基础上，探讨环境、气候变化对光合微生物群落演化的驱动因素，评价基于古DNA的光合藻类和藻类病毒在古气候重建中的可行性。

本项目以青藏高原湖泊藻类和藻类病毒对环境和气候变化的响应为研究目标，开展了野外采样、水化学分析、藻类群落高通量测序分析、藻类病毒高通量测序分析。获得的主要进展包括：1）湖泊藻类群落对盐度梯度的响应：通过高通量测序的方法，分析了青藏高原具有盐度度梯度湖泊的藻类组成。结果显示藻类群落组成主要是由盐度控制的。在低盐度湖泊中，藻类主要以蓝藻为主；高盐度湖泊中以硅藻和褐藻为主。这与这些藻类的生理特性相关，硅藻和褐藻耐盐能力较高。这些结果为通过古藻类组成推测古湖泊环境和地区气候变化提供依据。2）湖泊藻类在沉积柱中的垂向空间变化与对古气候的指示作用：采用古DNA分析方法研究了青藏高原北部湖泊库赛湖3100年以来的藻类群落变化，发现该湖从3100年前以来藻类由聚球菌藻和等鞭金藻组成。定量分析显示这两类藻类的丰度呈此消彼长的关系，这种变化关系主要是由古温度控制的。用古DNA方法重建了青海湖1.8万年以来藻类变化，结果显示青海湖不同时期的主要藻类有棕鞭藻门，绿藻门，不等鞭毛门和蓝藻。这些藻类的变化也与气候环境变化的指标相关。因此，古藻类群落可以用于古气候古环境重建研究。3）藻类病毒的空间地理分布特征：通过设计引物，成功扩增了多种环境样品中编码蓝藻病毒核衣壳蛋白基因片段。通过高通量测序结果显示这些环境中的蓝藻病毒具有很高的多样性。但是可能由于海洋的连通性和理化性质的相似性，海洋样品病毒群落之间相对较为相似，即群落之间的差异与地理距离相关。4）蓝藻病毒在沉积柱中的垂向空间变化与对古气候的指示作用：研究了青藏高原3100年来蓝藻病毒和群落变化。通过定量PCR分析得到3100年来蓝藻病毒的丰度和库塞湖中藻类丰度密切相关。通过高通量测序分析了3100年来蓝藻病毒群落变化，结果显示，不同片段长度的相对丰度变化与库塞湖的陆源输入相关；主成分分析（CCA）结果显示蓝藻病毒的群落与地区古温度和湖泊古盐度有很好的相关。