基于元转录组研究云南高原不同富营养化程度湖泊蓝藻群落结构与产毒的分子机制

The eutrophication of lakes has become one of the most severe problems in environmental protection of lakes. High frequency of harmful algal blooms that induced by lake eutrophication have caused serious problems to water ecosystem and human health. In order to explore the diversity of toxic cyanobacteria and characterize microbial activities in cyanobacterial harmful algal blooms of different plateau eutrophic freshwater lakes in Yunnan province. Based on completing microcystin synthetase gene of cyanobacteria and toxic cyanobacteria detection in part of the lakes, we are planning to take five plateau eutrophic freshwater lakes of Yunnan for research objects. Using 16S/18S rRNA PCR amplification, high throughput sequencing and data analysis, the phytoplankton flora and toxic cyanobacteria community in bloom and non-bloom period will be explored. Virioplankton will be also analyzed by metagenomics sequencing. To evaluate the effects of spatial and temporal dynamics of toxic functional gene expression on different environmental conditions, the approach of metatranscriptomic library construction, sequencing and bioinformatics analysis was used. The diversity of microcystin synthetase gene and toxin characteristic of toxic cyanobacteria are going to be clarified. On the basis of detected the gene copies of microcystin synthetase mcy gene and the conserved gene in cyanophage, the toxin from the toxic cyanobacteria by cyanophages release will be also analyzed. The coming findings will be not only acquiring a number of gene resources, but also helpful to illustrate relationship among the cyanobacteria, cyanophage and the microcyatin. The research on toxic cyanobacteria in eutrophic freshwater lakes can provide scientific basis for control the harmful cyanobacteria bloom.

湖泊富营养化导致有害蓝藻水华频繁发生，产毒蓝藻及其藻毒素引发的生态危害和健康风险已成为备受关注的重要水环境问题。为探索云南高原不同富营养化湖泊水华期产毒蓝藻的关键功能群及功能机制，项目组拟在完成部分湖泊产毒蓝藻藻毒素基因检测的基础上，利用16S/18S rRNA基因扩增、高通量测序的方法，探明不同富营养化湖泊水华期和非水华期浮游菌群、产毒蓝藻群落结构，以及基于宏基因组测序分析浮游病毒特点；通过不同富营养化湖泊水华期和非水华期元转录组文库构建、测序及基因功能注释、差异表达分析、分类预测等生物信息分析，获得不同时空环境条件下和产毒相关的功能基因，揭示富营养化湖泊产毒蓝藻在水华过程中产生毒素的可能作用机制和分子机理，进而全面系统阐明高原不同富营养化湖泊产毒蓝藻基因的多样性及产毒特性；同时通过分析产毒蓝藻与噬藻体消长关系，分析产毒蓝藻、噬藻体和藻毒素间相互关系，为控制蓝藻水华和湖泊环境治理提供理论

富营养化水体中有害蓝藻水华频繁发生，产毒蓝藻及其藻毒素引发严重生态危害和健康风险而备受关注，湖泊中蓝藻群落组成、种群变化与水体中其它微生物群落、环境因素等直接相关。本研究以云南不同富营养化程度湖泊为研究对象，探索不同富营养化程度湖泊蓝藻群落结构与产毒的分子机制。基于16S/18S rRNA扩增子测序全面系统分析了不同富营养化程度湖泊微生物群落结构，表明不同湖泊水体与沉积物中微生物群落结构及丰富度和均匀度均存在显著差异和季节变化，与湖泊的营养型、空间异质性和季节性变化存在相关性。贫营养抚仙湖和富营养滇池、星云湖水体与沉积物中原核微生物、真核微生物、古生菌优势物种有明显的差异，沉积物中微生物物种数目较水体中多；利用不同蓝藻毒素合成酶基因mcyE、anaC、sxtA系统评价了不同湖泊产毒蓝藻的遗传多样性，系统进化分析表明滇池水体mcyE基因主要由微囊藻属藻类产生，anaC和sxtA基因主要由束丝藻属藻类产生。星云湖、抚仙湖sxtA、mcyA基因分别由束丝藻属藻类和微囊藻属藻类产生，anaC基因星云湖主要由束丝藻属藻类产生、抚仙湖则由颤藻属藻类产生；宏转录组测序分析不同湖泊不同时期浮游生物差异表达基因的变化，发现藻类是造成不同湖泊丰水期和枯水期基因表达差异的主要物种，差异表达基因主要与藻类等浮游生物细胞器的生物合成、呼吸作用和光合作用进行能量转化等方面的功能相关，并且碳水化合物转运和新陈代谢，以及氨基酸转运和代谢可能为浮游生物主要的代谢途径；基于宏病毒组、湖泊元素循环功能基因，分析湖泊浮游病毒、不同元素循环功能微生物菌群等群落结构多样性、季节变化与产毒蓝藻的关系，全面系统评价不同富营养化湖泊蓝藻水华期浮游菌群、浮游病毒、产毒蓝藻群落结构特征、时空分布规律及相互关系，初步揭示了云南高原不同富营养化程度湖泊产毒蓝藻菌群落结构及产毒的功能机制，为富营养化湖泊有害蓝藻水华的治理提供理论基础。