珠江至南海北部水体中古菌碳固定的主要途径和生物地球化学意义

Archaea are one of the most abound microorganisms in the ocean, which play essential roles in global carbon and nitrogen cycles climate change. However, biogeochemical processes mediated by marine Archaea are poorly known. The main reason is that those mesophilic Archaea are difficult to culture and it is hard to investigate their carbon fixation pathways through conventional physiological methods. Consequently, the exploit of culture-independent methods to uncover the carbon fixation pathway comes to play an essential role. Here, we plan to create a bio-informatics analysis framework to investigate the carbon cycle characteristics in different physical, chemical regions from Pearl River to northern part of South China Sea and provide some basic understanding of contribution of Archaea to global carbon cycle.

古菌是海洋中生物量最大的微型生物群落之一，对于海洋中的碳、氮循环及全球气候变化起着极为重要的作用，但是我们对于海洋古菌的生物地球化学作用的认识才刚刚开始，对于海洋古菌的二氧化碳固定途径更是知之甚少。这主要是由于绝大多数的海洋古菌难于进行纯培养，很难以传统的生理学方式研究古菌的碳固定途径。因此，探索以非培养方法重构古菌的固碳途径显得尤为重要。本项目拟以南海北部珠江口至深海盆的一系列站点为研究对象，过滤水体的微生物并提取DNA，构建宏基因组文库，再进行Solexa高通量测序，通过生物信息学的方法筛选出古菌的基因片段，进而进行序列拼接和注释，在群体水平重构古菌的二氧化碳固定途径，从而为我们认识古菌在海洋碳循环中的作用奠定基础。

古菌被认为在全球海洋碳循环中所发挥着于细菌相当的作用。本项目在珠江口至南海北部深海盆水体为研究区域，利用生物信息学方法，研究古菌群落结构的变化及其在碳循环中的作用。研究结果表明，古菌类群从淡水中的产甲烷菌主导，到边缘海水中以碳固定作用的奇古菌和参与有机质降解的MGII组成，往南海北部延伸的10个站点古菌群落则显示以有机质降解相关的MGII和功能未知的MGIII为主要组成。我们首次发现珠江口咸淡水混合区存在MGII的勃发，MGII古菌作为海洋中广泛分布的一类异养古菌，目前还没有纯培养菌株，珠江口区域的高丰度MGII为富集纯化该类群古菌提供了一个天然实验室。进一步研究发现，MGII的生长不但受到盐度、藻类生长、光照强度等因素的影响，还受到部分蓝藻对部分MGII的生长表现出抑制作用，同为异养类群的深古菌门也表现出与MG II的竞争性抑制作用。我们首次该该区域发现了一个MGII的基因组，该基因组含有一个高效利用磷酸盐的基因簇（pst），而该基因簇只在珠江口和地中海等磷限制环境中的MGII基因组中发现，而在Puget sound（铁限制）和深海（光限制）等环境中的MGII则没有该基因，表明MGII可能通过基因水平转移获得pst基因而适应磷限制环境。该研究不但揭示了珠江至南海北部古菌类群及其在碳循环中作用变迁，也创新性的发现了MGII在珠江口咸淡水混合区的勃发及其机制，为进一步探究这一新的古菌类群在海洋碳循环中的作用打下基础，具有较强的微生物生态学研究意义。