红树林生态系统中弗兰克氏菌的多样性及其数量分布研究

Members of the genus Frankia are nitrogen-fixing actionmycetes. The strains of Frankia, which pure cultures had been obtained were isolated from land soil or land plants. Isolates from marine habits or mangroves had not been reported. Moreover, nitrogen is insufficient in mangrove ecosystem, and nitrogen-fixing microbes can provide more nitrogen to relieve the limits of nitrogen and can help the growth of mangrove plants. In this study, we will improve the mediums and culture conditions based on the mangrove environmental conditions and the characteristics of mangrove plants, and develop a better culture method which is suitable for Frankia from mangrove ecosystem. And then, we will isolate and purely culture Frankia from soil in different habits of mangrove ecosystem and from different mangrove plants, and measure the morphological, physiological, biochemical, molecular biological characteristics of Frankia strains, all of which will provide more model Frankia strains for phylogeny and taxonomy of Frankia, and provide more effective nitrogen-fixing strains for bioremediation of the declining mangrove ecosystem, and extend the range of nitrogen-fixing symbionts. We also will analyze the diversity and quantity of Frankia population by 454 high-through sequence and q-PCR methods. The relationship between diversity and quantity of Frankia and environmental factors will analyzed through statistical methods. Combination with measurement of nitrogen-fixing characteristics of Frankia isolates, this study will help us to further understand the eco-function of Frankia in the nitrogen-cycle of mangrove ecosystem.

弗兰克氏菌是一类具有固氮能力的放线菌类群，目前报道的纯培养菌株都来源于陆生植物或陆地土壤中，还没有来源于海洋生境或者红树植物内的报道。红树林生态系统中无机氮盐匮乏，固氮菌不仅可以缓解氮素对初级生产力的限制，对红树植物的生长也起着重要的促进作用。本研究将首先结合环境数据及红树植物特征设计培养基，建立一套适合红树林弗兰克氏菌分离培养的方法；然后从红树林不同生境中分离弗兰克氏菌，对其生物学特征和固氮特性进行分析，确定其分类地位，这将为弗兰克氏菌的系统发育及分类学研究提供更多的模式菌株，也为日益衰退的红树林生态系统的修复提供有效的固氮菌株，并且将进一步拓宽固氮共生体系的范围。利用高通量测序和q-PCR分析红树林生态系统中的弗兰克氏菌的遗传多样性和数量分布，利用生物统计学分析弗兰克氏菌的生态分布与环境因子的关系，结合分离到菌株的固氮特征，进一步了解弗兰克氏菌在红树林生态系统氮循环中的生态功能。

弗兰克氏菌是一类具有固氮能力的放线菌类群，目前报道的纯培养菌株都来源于陆生植物或陆地土壤中，还没有来源于海洋生境的报道。红树林生态系统中无机氮盐匮乏，固氮菌不仅可以缓解氮素对初级生产力的限制，对红树植物的生长也起着重要的促进作用。本研究结合传统培养法、高通量测序和q-PCR分析了红树林土壤弗兰克氏菌和其他固氮细菌的多样性、数量分布及其与环境因子的关系。由于弗兰克氏菌从自然环境中得到纯培养的难度极大，根据测定的环境数据，设计了不同的培养基和培养条件，经过大量的分离筛选，仍未分离到弗兰克氏菌，但获得5株固氮细菌新属菌株且固氮活性都较高，为日益衰退的红树林生态系统的修复提供有效的固氮菌株。在高隆湾红树林湿地及毗邻近岸海域的6个不同生境中，红海榄和角果木林区的弗兰克氏菌多样性和数量较高，海草分布区未发现有弗兰克氏菌存在；本研究检测到弗兰克氏菌有5个类群，与数据库中的弗兰克氏菌株在进化上截然不同，红树林生境是陆地向海洋过渡的特殊生态系统，因此研究红树林生境中的弗兰克氏菌对于研究其在不同生境中的生物进化具有重要意义；与环境因子的相关性分析表明弗兰克氏菌受到盐度、Cd、Hg、Zn、Al的影响较大；Network分析表明弗兰克氏菌在稳定红树林固氮细菌群落结构中起着重要作用。固氮细菌的数量从红树林湿地向近岸潮间带逐渐降低，其中红树林区的数量高于其他生境，海草区的最少。另外，发现大量的其他固氮细菌的新种（或新属）资源，多样性极高，分布在8个门；不同生境的固氮细菌群落组成差异明显，但是红树林区的多样性明显高于其他生境；盐度、pH、Al和Cd是影响固氮细菌群落分布的显著因子，VPA分析表明人类活动的影响更大，特别是重金属离子。本研究对弗兰克氏菌的生态分布和进化有了新的认识，进一步了解了弗兰克氏菌在维持红树林生态系统固氮微生物群落结构稳定性上发挥的重要生态功能，明确了环境因子（特别是人类活动）对其多样性分布的影响。