太湖蓝藻群体颗粒附生细菌的宏基因组学研究

Many previous studies have been performed to explore interactions between cyanobacteria and the bacteria associated with cyanobacterial aggregates. The assessment of the microbial taxonomic composition was investigated by 16S rRNA amplicon, although growing, are still insufficient to unveil the mechanism involving in the metabolic pathway. To address these issues, we propose here a concept of “Meta-bacteria associated with cyanobacterial aggregates (MBCA) involving the whole processes of cyanobacterial blooms (recruitment, proliferation, recession, and death). The study will be conducted by metagenomic sequencing, especially in combination with Multiple Displacement Amplification(MDA) for the samples with low levels of DNA. Here we will use the several sequencing platforms (Miseq250、Hiseq2500, Pac Bio(SMRT), and Bio Nano) to survey the phylogenetic composition of the microbial communities and obtain the MBCA spectrum in different processes, especially the rare species genomes will be assembled; thus, in order to reveal the role of MBCA in the processes of cyanobacterial blooms. Importantly, we integrate the metagenomic data with the synchronous datasets including the hydro-meteorological, nutrient, and satellite sensors(MODIS) data to explore the mechanism of cyanobacterial bloom-formation.

目前，尽管附生细菌和蓝藻水华关系的研究已经开展了较多工作，但仍集中在生物多样性的调查和研究方面，而从功能基因和代谢通路来进行机理探究的并不多见。本项目提出了“蓝藻群体颗粒”的概念。针对太湖个别季节和时间段水体中蓝藻群体颗粒较少，较难收集足够样本以满足测序建库对DNA浓度和总量要求的情况，我们拟结合单细胞扩增的方法，进行太湖水华暴发全过程的蓝藻群体颗粒附生细菌的宏基因组学跟踪调查。同时结合二代和三代测序方法，绘制暴发各个关键阶段的附生细菌图谱，并组装相应的物种基因组，进一步将功能基因和代谢通路与水文、气象、营养盐和卫星遥感等同步监测数据整合分析，来阐明蓝藻群体颗粒附生细菌在水华暴发过程中的作用机制，并从附生细菌的角度来探索蓝藻水华暴发规律。

本项目提出了“蓝藻群体颗粒”的概念，利用宏基因组学方法，从蓝藻群体颗粒附生细菌多样性和功能基因和代谢通路的角度，结合水质和遥感等数据，探索太湖蓝藻水华的暴发机制。.1..探明了太湖蓝藻群体颗粒附生细菌(Bacteria Associated with Cyanobacterial .Aggregates, BACA)群落的多样性。结果表明，水温是驱动BACA演替的主要因子。BACA不但存在季节上的演替，同时也存在季节相同而生命周期不同的演替。.不同种类微囊藻的BACA存在一定的宿主特异性。附生细菌不但参与了群体形态的形成，更为重要的是可能参与了微囊藻毒素的降解，以及氮、磷和碳等物质循环，从而在功能上“影响”和“塑造”了相应的宿主。因此，附生细菌不仅积极参与了蓝藻水华的暴发过程，而且附生细菌对蓝藻群体的影响可能要远远大于浮游细菌。.2..表征了蓝藻群体颗粒微生物(Meta-microbes of Cyanobacterial Aggregates, .MMCA) 的生理生态学特征。基于微囊藻的全基因组信息，开展了MMCA的鸟枪法宏基因组学研究。结果表明，不同蓝藻水华暴发阶段的MBCA(Meta-bacteria of Cyanobacterial Aggregates, MBCA)和代谢通路均存在显著性差异。蓝藻水华暴发不同阶段MBCA呈现了不同的群落结构特征。N代谢通路主要有硝酸盐异化还原成铵(DNRA)、硝酸盐同化还原成铵 (ANRA)和反硝化过程，存在一定的固氮过程，但是没有发生硝态氮的硝化过程和厌氧氨氧化过程。其中DNRA和ANRA在三个阶段均有发生，并且为主要代谢通路，而在暴发早期和中期，MMCA没有发现反硝化作用。.3..揭示了太湖微囊藻和长孢藻(Dolichospermum)的演替机理。微囊藻和长孢藻.的附生细菌存在明显的宿主特异性。同时，微囊藻水华和长孢藻水华中N的代谢存在显著差异，其中DNRA、ANRA和固氮作用在两个水华阶段中均存在，而反硝化作用在微囊藻水华阶段缺失。尽管微囊藻本身不固氮，但是其与附生微生物所组建的MMCA，作为一个整体可以进行固氮，这是其作为非固氮种类在N相对缺乏状态下获得竞争优势的重要原因。此外，太湖N负荷持续下降被认为是长孢藻水华在冬春季出现的主要原因，N和水温是微囊藻和长孢藻在冬春季节演替的主要原因。