北极近岸海域DMSP代谢细菌及相关基因的多样性及其生态地位分析

As an organic sulfur compound for use as an osmolyte, the compatible solute dimethylsulfoniopropionate (DMSP) is produced worldwide, mainly by marine phytoplankton and macroalgae. This compound is a major participant in the global sulfur and carbon cycles. When released into seawater, DMSP is rapidly metabolized by marine bacteria via two major pathways. These two competing pathways may play a role in determining the balance between the incorporation of sulfur into the marine microbial food web (the demethylation pathway) and the release of sulfur in the form of the climate-influencing gas dimethyl sulfide (DMS; the cleavage pathway). DMS represents a major source of biogenic sulfur to the atmosphere and has the potential to exert major cooling effects on climate. Although in recent years insights into bacterial DMSP metabolism have provided an improved understanding of biogeochemical cycling of sulfur in marine ecosystems, knowledges about bacteria and their genes involved in DMSP metabolism in cold marine ecosystem in polar regions are still limited to us. By a combination of culture-dependent and independent approaches, studies will be performed to investigate the diversity of planktonic bacteria and their genes involved in DMSP metabolism in Arctic Kongsfjorden, combined with informations of bacterioplankton community composition, environment properties, expression of bacterial DMSP degradation genes and even comparison between Arctic and Antarctic coastal samples. Those results will be helpful to improve our knowledge about the ecological role of DMSP-metabolizing bacteria in Arctic cold marine environment, biogeographic distribution of bacteria between Arctic and Antarctic seawaters, and the response and feedback of bacterioplankton community in polar marine environments to global climate change.

DMSP是由海洋浮游植物及大型海藻产生、作为胞内渗透压调节剂的含硫化合物。它是全球硫、碳循环的重要参与者。海洋中的DMSP可被细菌通过脱甲基与裂解这两条主要的代谢途径利用，从而决定硫元素是以含硫蛋白的形式进入微生物食物网、还是以DMS的形式被释放并进入大气。大气中的DMS对于海洋乃至全球气候具有潜在的重要影响。有关细菌介导DMSP代谢的研究近年来已经成为海洋生态学研究领域的热点之一，但在极地低温海域中的相关工作却很少被报道。采用分离培养技术与分子生物学技术相结合的方法，通过对北极王湾海水中DMSP代谢细菌及相关功能基因多样性的研究，结合浮游细菌群落组成、环境参数、功能基因表达、以及南极近岸海域的相关结果等信息，不但可以增进我们对于浮游细菌参与极地低温海洋生态系统硫循环的认识，而且在了解极地海洋细菌的生物地理分布、极地海洋浮游细菌群落对全球气候变化的响应与反馈等方面具有重要的参考意义。

DMSP（二甲基巯基丙酸内盐）是地球上最丰富的有机含硫化合物之一，同时也是海洋微生物的重要营养物。DMSP还是海洋中DMS（二甲基硫）形成的重要来源和前体，而DMS的排放与气候变化存在密切关联。细菌在DMSP的降解及DMS的生成方面扮演着重要角色。有关DMSP生物合成、代谢、以及其生态影响的研究已开展了近70年，但涉及高纬度极地低温海域的相关研究却为数甚少。课题组在获得北极王湾海洋上层生态系统中参与DMSP分解代谢的两条主要途径的dmdA、dddP等功能基因的多样性及丰度信息基础之上、结合浮游微生物群落结构组成，以及可培养细菌及其DMSP降解酶基因多样性的研究，发现细菌是王湾浮游原核生物群落的主要组成成分，其优势类群包括α-变形细菌、γ-变形细菌、拟杆菌、放线菌、以及疣微菌，而且浮游细菌群落结构组成存在年际间的变化；与中低纬度海域类似，高纬度王湾水域中DMSP分解代谢同样是以脱甲基途径占优势，而且涉及DMSP分解代谢（无论是脱甲基还是裂解途径）的细菌均与玫瑰杆菌支系（如Octadecabacter、Sulfitobacter等属）密切关联；夏季冰川融水等淡水输入不但影响王湾中DMSP代谢细菌的分布，也影响浮游细菌群落的结构组成及生理功能；DMSP降解酶基因在不同种类的细菌之间的基因水平转移，可能有助于细菌在上层海洋生态系统的DMSP代谢中发挥稳定的生态学作用。相关结果有助于增进我们对于DMSP代谢细菌在北极近岸海域的生态学地位、以及全球气候变化导致的环境改变对其生态功能的潜在影响的认识。结合南极海域的研究结果，课题组对比分析了南、北极近岸海域中dmdA、dddP等功能基因的多样性及系统发育关系，发现在南、北极海洋环境中，与浮游细菌的分布类似，DMSP降解酶基因同样是由跨极分布的广布性与独特的地方性的系统发育型共同组成的。一些稀有但属于广布性分布的系统发育型会因环境条件的变化而在当地生境中成长为优势组分。这些结果从功能基因的角度增进了我们对于极地海洋细菌生物地理分布特性的认识。