摘要
陆地热泉生态系统作为极端环境的代表，表现出具有较宽的温度和pH范围，多样的水化学类型，以及丰富的矿物质元素等特点。这些独特的生存条件导致生活在其中的微生物具有较强的扩散限制、较强的系统发育聚集性以及较快速的进化速率。同时热泉生态系统中还含有一些未被探索的“微生物暗物质”，这些“暗物质”获得能量的过程通常伴随着一系列独特的生物地球化学反应（如硫的氧化还原过程、铁的氧化还原过程以及甲烷代谢活动），推动着生命与地球环境之间的相互作用和协同演化。因此，热泉生态系统中的微生物呈现出丰富的物种多样性以及功能多样性，是研究微生物群落构建机制的天然实验室。 本研究围绕陆地热泉生态系统中微生物群落的调控机制展开研究，从生态过程和进化过程等多角度解析了热泉微生物物种多样性调控机制，也基于功能预测和细胞内融合基因技术（EpicPCR）探究了整体微生物群落和厌氧甲烷代谢菌群的功能多样性调控机制。主要内容如下:（1）从生态过程角度解析热泉微生物的群落构建;（2）从生态过程角度和进化过程角度共同解析热泉微生物的物种多样性模式;（3）基于16SrRNA功能预测的结果探究热泉微生物功能多样性的调控机制;（4）利用细胞内融合基因技术（EpicPCR）聚焦于厌氧甲烷代谢菌群的调控机制。本论文将对这四个方面进行阐述: （1）为探究确定性过程、随机性过程以及微生物种间互作对热泉微生物群落构建的影响，我们基于16SrRNA基因V4区的高通量测序数据结合各种统计分析方法，研究了位于中国云南省腾冲市的15个陆地热泉水体和沉积物中微生物群落（即细菌和古菌）的构建过程和物种互作模式。结果表明，陆地热泉生态系统比其他常规生态系统拥有更多的特有物种（Specialists）,它们能够很好地适应极端条件，表现为较高的最近种间亲缘关系指数（NTI）和较窄的生态位宽度。此外，生境分化导致热泉水体和沉积物中的微生物群落在多样性模式、种间相互作用和群落构建机制等方面存在差异。沉积物微生物群落表现出较强的系统发育聚集性，以及群落构建过程主要为确定性过程中的异质选择（主要由温度和Fe2+驱动），而水体微生物群落构建过程则主要为扩散限制和不确定过程。并且沉积物中的微生物群落表现出更强的种间相互作用，这表明沉积物中的微生物群落比水体更复杂，对环境变化的响应能力更强。上述发现揭示了微生物群落构建背后的生态过程，并为理解极端生物圈中维持微生物多样性的机制提供了潜在的见解。 (2)生态过程和进化过程共同调节微生物多样性，但相比于生态过程，进化过程及其驱动力在很大程度上仍未被探索。本研究中，我们基于16SrRNA基因的全长及V4区高通量测序数据，探究了温度范围下(54.8-80℃)微生物类群的生态和进化特征，同时使用数字液滴PCR(ddPCR)定量微生物丰度。我们的研究结果表明，热耐受性窄(温度敏感型)和热耐受性宽(温度抵抗型)的物种在生态和进化动力学方面表现出复杂的相互作用，同时为了适应温度压力，其在生态位宽度、群落丰度和扩散潜力等方面表现出差异。温度敏感型物种经历了较强的温度屏障，导致其在每个温度下都具有完全不同但又高适应性的群落，它们的良好适应性增强了它们的进化能力，表现为在不同温度下均具有较高的物种形成速率以及随着温度升高而升高的多样化潜力。这些进化的优势导致温度敏感型物种的物种丰富度远超过温度抵抗型物种。相反地，尽管温度抵抗型物种占据了较宽的生态位宽度，但是表现出了较低的适应性。随着温度的升高，温度抵抗型物种表现出较高的物种灭绝速率，这表明环境过滤作用对温度抵抗型物种的影响随着温度的升高而增强。此外，温度敏感型物种向温度抵抗型物种的持续转化，既可以保证生态位的扩张也可以为温度抵抗型物种提供补充。根据生态学代谢理论(MTE)的预测，环境过滤与多样化潜力的相对强度也随着温度的升高而增加，从而造成总体多样性趋势的下降。总的来说，我们的研究结果表明，温度敏感型物种的高物种形成速率可以缓解强环境过滤作用对微生物多样性模式的负面影响。 (3)生态过程不仅可以影响热泉微生物的物种多样性，也可以影响其功能多样性。为探究热泉微生物功能多样性的调控机制，我们基于16SrRNA基因V4区的高通量测序数据结合多元生态学和统计学方法，研究了中国云南省腾冲市一个具有温度梯度(54.8-80℃)热泉中微生物席的物种来源、群落结构及生态功能。结果表明，不同生态分区下的微生物席具有相同的物种来源，但表现出不同的物种组成、群落结构及生态功能。造成这种差异的主要因素是不同生态区域下环境因素(温度，电子供体等)的差异。环境因素对同一来源的物种进行了过滤，从而造成了不同生态区域微生物席之间的屏障。基于FAPROTAX功能预测的结果表明，功能多样性随着温度的降低而升高，高温区域的生态功能有化能异养和需氧化能异养，较高温区域增加了光能自养，而中温区域进一步增加了光能异养。此外，不同的生态区域也表现出不同的氧化还原反应，高温区域的化能异养主要以氮元素和硫元素的氧化还原为主，较高温区域的化能异养主要硝酸盐还原为主，而反硝化、甲烷生成和甲烷氧化则是中温区域微生物席的主要能量来源。与此同时，我们的研究结果还发现部分功能微生物是微生物席共现网络中的关键物种，是微生物之间的物质和能量交换的桥梁。总的来说，我们的研究结果表明环境条件(温度，电子供体等)的差异塑造了同一来源微生物席的功能差异。 (4)为了探究厌氧甲烷代谢菌群的调控机制，我们利用细胞内融合基因技术(EpicPCR)结合整体微生物群落的16SrRNA基因V4区扩增，研究了厌氧甲烷代谢菌群及其共生微生物的组成、群落结构以及形成机制。研究结果表明执行H2还原CO2的产甲烷菌群在厌氧甲烷代谢菌群中占主导，并大多来自于广古菌门(Euryarchaeota)中的甲烷杆菌纲(Methanobacteria)和甲烷微菌纲(Methanomicrobia)。而相比于产甲烷菌群，厌氧甲烷氧化菌群的丰度较低，并且主要是广古菌门(Euryarchaeota)中的ANME-1纲。产甲烷菌群和厌氧甲烷氧化菌群表现出不同的温度偏好性，产甲烷菌群在温度较低的分组中丰度相对较高，而厌氧甲烷氧化菌群则在温度较高的分组中丰度相对较高。基于EpicPCR实验结果发现，产甲烷菌群与厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门（Proteobacteria)等多种细菌类群共生并存在潜在的互作关系，并且不同温度分组下产甲烷菌群对于其共生微生物的选择具有差异。总的来说，我们的研究结果表明温度及共生微生物类群可以共同调节厌氧甲烷代谢菌群中产甲烷菌的群落构建。
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