帕米尔高原古菌物种多样性及其冷适应机制研究

Archaea are widely spread in the biosphere all over the world. In the process of adapting to extreme environment, Archaea participate in the element circulation of biosphere through their special physiological metabolism. Our previous study indicated that the archaea communities in desert and arid environment of southern Xinjiang were rich and diverse, and we showed that archaea mainly contributed to the nitrogen cycling process. So we proposed that nitrogen metabolism could be a strategy for the adapation to extreme environment of archaea.We plan to investigate the diversity and cold adaptation mechanism of archaeal community in the special habitats of high cold, and high altitude to clarify the spatial pattern of species diversity distribution of archaea in Pamir plateau at different altitudes and temperatures and its cold adaptation mechanism of archaea.

古菌遍及全球生物圈，在其适应极端环境的过程中，以其特殊的生理代谢参与生物圈物质循环。申请人在前期研究中发现新疆荒漠干旱环境古菌物种丰富多样，是氮元素生地化循环的主要贡献者。古菌的氮代谢与其极端环境的适应性存在着必然联系。项目拟在前期研究的基础上，针对帕米尔高原高寒、高海拔特殊生境下的古菌物种多样性及其冷适应机制开展科学研究，以期揭示不同海拔、不同温度条件下，帕米尔高原古菌的物种多样性空间分布格局，并阐明古菌冷适应机理。

中国帕米尔高原蕴藏着大量低温细菌和古菌等微生物群落。项目以帕米尔高原不同海拔土壤、沉积物样品为研究对象，采用16S r DNA扩增子测序、宏基因组测序结合分离培养手段，探究了不同海拔细菌和古菌多样性；利用RNA-Seq和SMRT技术对低温微生物冷适应机制进行了初探。取得以下成果：1）初步探明细菌、古菌在不同海拔分布的多样性，发现古菌分属在7个门，16个纲，18个目，16个科，39个属；证实不同海拔有着独特的细菌和古菌结构特征，发现中高海拔的微生物群落丰度高于其他海拔，奇古菌为帕米尔高原的优势主导群落，约有60%以上的古菌存在无法归类现象。2）探究了土壤环境因子对微生物群落分布的影响，发现土壤pH影响着细菌、古菌的分布。3）探究了中高海拔的关键微生物群落结构特征，发现主要以细菌为主，占60%以上，而古菌仅在0.3-1%之间。4）探究培养温度、培养基等对分离低温细菌和古菌的影响，结果发现获得25株嗜盐古菌（15℃）和487株低温细菌（4℃），TSB和R2A培养基对低温细菌（假单胞菌）的分离效果较好，NOM、F6和12% MGM培养基对古菌的分离效率较低，仅获得钠线菌属和盐陆生菌属两个属的古菌。不同海拔分离获得不同主导类群的微生物群落。5）初步探究了DNA甲基化修饰对低温微生物水域微小杆菌（Exiguobacterium undae）TRM 85608 冷适应的影响，发现DNA甲基化转移酶（hsdM）可能调控冷胁迫相关基因的转录表达，初步确定DNA甲基化与低温细菌E. undae TRM 85608的耐冷特性相关。探究中国帕米高原不同海拔微生物多样群落结构特征，为开发蕴藏丰富且稀有的低温微生物资源及其地球化学循环提供更多物种资源；研究低温微生物的耐冷机制，对提高对帕米尔高原低温微生物的相关功能基因深入探究，为实现低温微生物资源的充分利用提供数据支撑。