基于细胞大小分布解析细菌群落结构和功能特征

Cell size matters for both bacteria and ecosystem. For bacteria itself, the smallest cell need space for fundamental living activities, such as DNA duplication and protein assembling. But if the cell is too large, the efficient of nutrient and waste transportation will be limited. For the ecosystem or biogeochemical cycles, the volume of bacteria determines the quantity of C and N that immobilized by an individual taxon. However, most of the researches recently failed to take cell size into consideration when investigate the structure and function of microbial community. In this project, we set forest soil as study material and separate bacteria to different size fractions using flow cytometry. Then measure soil properties of each sampling spot, 16S rRNA and functional genes of each bacteria fraction. We aim to 1) explore and establish the separation method of bacteria in different size using flow cytometry; 2) illustrate the relationship between bacteria cell size and structure and function of microbial community; 3) figure out the key factor that influence bacteria cell size and function in different sampling spots. This study helps to fill in the research gap of environmental microorganism in morphology, further provides theoretical basis and practical experience for a more comprehensive understanding of microbial community assembly.

细胞大小至关重要，对于细菌本身来说，细胞大小决定着其养分吸收和转运、移动和废物代谢能力。对于生态系统来说，细胞大小决定着系统对养分的固定和储藏能力。但是目前对于细菌群落结构和功能的研究中都忽略了细菌大小。本项目基于大尺度土壤取样，首先利用流式细胞术建立不同个体大小细菌的分离方法，之后通过高通量测序技术的应用，研究我国森林生态系统中土壤细菌大小与群落结构和功能之间的联系，并进一步阐明环境因素影响细菌生物量及细菌功能之间的机制，寻找影响细菌个体大小、群落结构和功能的主要因素，以期对生物地球化学循环更为深刻的理解。本项目的完成有助于填补环境微生物在形态学方面的空白，为深入挖掘土壤微生物资源信息提供新的方法和思路，为更加全面了解土壤微生物群落装配提供理论基础和实践经验。

细胞大小是与微生物活动和养分获取相关的关键形态特征。然而，关于不同细胞大小类别中微生物结构和功能特性耦合的知识仍然有限。本研究中我们首先对比了分选细胞、直接测序土壤中DNA和RNA三种方法获得的微生物群落结构，之后使用流式细胞术构建了分离不同大小土壤细菌群落的方法，最后将微生物细胞分为五个大小等级，并比较了落叶阔叶林和热带森林土壤中的微生物结构和功能概况。结果表明，分选细胞、DNA和RNA三种方法测得细菌群落组成和结构差异显著，在应用于环境微生物研究时，应该根据试验目的合理选择测定方法；落叶阔叶林及热带雨林森土中细胞数量约为1-2*107 个细胞每克土，并且大多数（＞88%）细胞都小于4μm。细胞大小为1-2μm的细菌占据了群落大部分（＞30%）生物量，细胞大小>6μm的细菌占据了群落中很小部分（<5%）生物量；基于丰度和生物量重新构建的细菌群落结构和组成差异显著。在将生物量作为筛选核心种群的条件后，排除了一个相对生物量较小的OTU，增加了核心种群的精准性；五个大小级的微生物功能结构在落叶林土壤中存在显着差异，而在热带雨林中相似。两种森林土壤中，不同大小细菌群落结构和功能相似性均显著相关。本研究首先关联了微生物生态学和形态学，为测定微生物群落生物量的方法选择提供了指导。其次，建立了一个联系微生物丰度和细胞大小的框架，强调了生物量在分析群落结构和多样性时的重要性，突出了不同大小微生物群落差异，为微生物群落研究提供了新的维度，也为更好的理解微生物-土壤-植物之间的关系提供了新的视角。