不同空间与时间尺度下寒冷湖泊浮游细菌的微进化比较研究

Microbial diversity is extremely high on earth, however, we know little about the origination and evolution of the microbial diversity. In particular, we do not know if the dispersal limitation and evolution time have impacts on the divergence of microbial diversity in a given microbial habitat. Cold lakes are distributed only at high elevations and the polar regions. These cold lakes are distantly located each other and have different evolution times as well. In the proposed study, we will investigate the evolution, phylogeography and ecophysiological adaptation of cultivated model organisms known to inhabit cold lakes in different regions, and will combine these investigations with cultivation-independent investigations on diversity of bacterioplankton communities in cold lakes, and on population structure of our model organisms. We will focus on cold lakes in four geographic regions, i.e., high-altitude lakes located at the Tibetan Plateau, Greenland area, and in the European Alps, as well as Antarctic lakes. The four selected regions differ strongly in the age of lakes, average distance between neighboring lakes, and in the presence of warmer lakes within the regions. These differences may have caused differences in microevolution of bacteria dwelling in the respective cold lakes. Based on these analyses we will conclude on microevolutionary mechanisms acting of the investigated populations, and especially on potential differences in mechanisms between populations. The obtained results will deepen our understanding on the origination and maintaining of microbial diversity in freshwater ecosystem and help to the protection of microbial diversity under the global change scenarios.

微生物具有极高的多样性，但是对其物种进化和多样性分化及其与生境的地理隔离和进化时间的关系认识不足。寒冷湖泊主要局限在地球的高海拔地区和两极，分布在这些区域的湖泊在空间上的距离和进化时间差别较大。以湖泊中的浮游细菌群落和广布性浮游细菌为模式生物，以青藏高原、阿尔卑斯山区、格陵兰岛和南极地区的寒冷湖泊为研究生境，采用细菌分离和不依赖分离的分子生态学技术相结合的策略，我们将分析栖息在不同地区寒冷湖泊中的模式细菌的进化、分子系统地理学、种群结构和生理生态适应性，比较区域内和区域之间的模式细菌种群结构和基因组的异同点，揭示不同区域内模式细菌种群的微进化机制及其与地理隔离、进化时间等因子之间的关系，探明地球局部区域的环境因子是否会导致区域内特有的种群微进化过程，从而引起物种多样性的进一步分化。研究结果有助于揭示驱动细菌分化和进化的微观机制、了解微生物多样性时空变化和全球变化下的微生物多样性保护。

微进化是指在某一物种内群体间或者来源相近的物种间差异形成的进化过程，是生物变异与环境适应的源头，对了解湖泊微生物多样性的形成具有重要意义。本项目首先对典型湖泊微生物多样性开展系统调查与比较研究，分析湖泊微生物多样性和微多样性的空间分布规律；其次选择分布广泛的具有较高微多样性的代表性微生物开展分离和纯培养，针对代表性菌株开展生理生态适应性和进化等分析，探索种群微进化过程。项目开展5年来，在以下几个方面取得进展。（1）开展了我国不同区域以及南北极地区的湖泊微生物多样性的调查，揭示了湖泊微生物多样性的分布格局及其形成机制。（2）发现和筛选具有较高微多样性的湖泊微生物物种或者类群，分析了典型湖泊浮游细菌的微多样性的分布规律及其与湖泊环境演化等之间的关系；（3）开展代表性菌株的分离和纯培养工作，获得一批开展微生物同域和异域分化比较研究的实验材料；（4）对代表性菌株开展了比较基因组的分析，结果显示16S rRNA基因序列一致的原核微生物，基因组有很大差别，传统基于16S rRNA对原核生物进行分类界定存在一定局限性，应综合全基因组及生态适应性表型等特征来更好地对原核生物的物种进行界定；（5）利用比较基因组、转录组和代谢组等方法对来自青藏高原、南极地区的代表性原核微生物的微进化分析表明，来自不同区域的同一个物种发生了明显的基因组分化，这些分化与各自区域的盐度、温度和营养等环境特征有很好的关联性，呈现显著的适应性进化，且来自不同区域的微生物种群之间已经发生了一定程度的种群隔离，形成了新的物种。（6）对来自深水湖泊抚仙湖的近缘浮游细菌物种的同域分化开展了研究表明，同域近缘物种发生了适应不同水层的温度、溶解氧等环境条件的分化，基因交流分析显示同域物种之间发生隔离，并趋于形成新的物种。综上，区域湖泊环境因子会导致区域内特有的种群微进化，促进微生物物种之间的进一步分化，有利于湖泊微生物多样性的形成。