极端酸性环境形成过程中微生物群落结构与功能演变

酸性矿山废水（AMD）是极端生境生物学研究的重要模式系统。本项目通过野外调查与室内模拟的方法重现AMD的形成过程；通过对极端酸性环境微生物宏基因组、宏转录组与代谢网络的整合研究，从分子到群落水平揭示微生物功能多样性、适应机制及其与极端环境因子的相互作用；通过对AMD关键酸化过程的比较宏基因组、比较宏转录组和群体遗传研究，阐明微生物在极端环境的群落结构与功能演变及适应性进化机制，深刻揭示极端酸性环境的生命形式与过程。

本项目在国家自然科学基金（No. 40930212）的资助下，紧密围绕极端酸性环境形成过程中微生物群落结构与功能演变这一核心科学问题开展了深入系统的研究。. 首先，我们利用高通量测序以及功能芯片技术对局域尺度下的酸性尾矿以及区域尺度下的AMD微生物群落进行了物种以及功能基因多样性的空间分布模式分析，结合全球尺度下AMD及相关生境的微生物群落数据，揭示了在酸化过程中微生物群落多样性的空间分布规律主要受环境因子（尤其是pH）的影响，而地理隔离的作用不明显。其次，我们利用比较宏基因组和比较宏转录组的手段，结合现代生物信息学分析技术，对广东几个典型的AMD样品进行了深入研究。研究结果表明：基于群落的功能及其活性来研究系统的生态功能具有明显优势，可以深入揭示不同物种在群落中独特的生态学角色以及相互竞争和协作的机制。再次，我们利用上述海量的数据对AMD微生物群落的装配模式进行了分析，结果表明，物种数据与环境因子的相关性低于群落宏基因组和宏转录组，进一步说明利用宏基因组和宏转录组数据研究生态系统多样性和功能更为合适。紧接着，我们结合多种生境的基因组数据对AMD群落的适应性进化进行了深入研究。结果表明：极端生境的群落进化速率显著高于普通生境，而且极端微生物能通过高突变速率、基因交流和松弛的选择压力获得更高的基因组可塑性和代谢适应潜力，进一步揭示了极端微生物群落的适应性进化机制。最后，我们通过比较基因组学分析和突变累积实验，对生物体细胞内DNA的组成和结构如何影响特定碱基的自发突变进行了深入研究。结果表明：真核生物细胞中核小体结构可以抑制C的水解脱氨，从而降低C到T的突变。染色质的基本单元——核小体几乎完全抑制水解脱氨来源的C到T 突变。本研究为揭示染色质结构对遗传核心事件，即DNA突变的调节机制提供实验证据，对理解真核生物基因组结构及生物进化具有重要的理论价值。. 在本项目实施的四年中，课题组取得了显著成绩，在相关领域国际主流杂志正式发表SCI论文10篇，包括Science、The ISME Journal、Environmental Microbiology、Applied and Environmental Microbiology等顶尖杂志，另获得授权专利5项。这些成果对今后利用环境微生物治理酸性矿山废水和进行尾矿的生态恢复提供理论依据。