南大西洋深海表層沉積物細(xì)菌多樣性與生物地理學(xué)研究

1、南大西洋深海表層沉積物細(xì)菌多樣性和生物地理學(xué)研究研究背景 微生物群落的生物地理格局有兩個(gè)傳統(tǒng)的解釋，即環(huán)境異質(zhì)性和歷史因素。 環(huán)境條件長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為對(duì)微生物地理學(xué)有強(qiáng)大的影響力。幾項(xiàng)研究已經(jīng)表明空間距離（歷史因素）會(huì)影響微生物的多樣性。 在海洋生境比如深海，表層沉積物中的微生物可以隨著洋流而擴(kuò)散。由較大的底棲生物的活動(dòng)以及近底洋流共同影響沉積物 - 水界面交換的生物灌溉作用導(dǎo)致了顆粒的分散因此微生物得以擴(kuò)散。 影響微生物擴(kuò)散的障礙可能是物理的（地形）或其他條件（溫度，pH值或靜水壓力）深海微生物地理模型依賴于微生物的擴(kuò)散能力。一個(gè)可能的限制微生物擴(kuò)散的因素是鯨脊。 我們調(diào)查了南大西洋東部三大盆

2、地中的細(xì)菌群落來(lái)研究深海表層沉積物中細(xì)菌群落的多樣性和生物地理學(xué)。 在南大西洋東部，海角盆地與安哥拉和幾內(nèi)亞盆地之間通過(guò)鯨脊形成一個(gè)屏障阻擋了水下大約3000米處向北和向南的水流。 海角盆地是受來(lái)自南極的繞極深層水控制，安哥拉和幾內(nèi)亞盆地的最深處都充滿了從北極起源來(lái)的北大西洋深層水。 值得注意的是，鯨脊已被證明用于一些囊蝦總目的甲殼類擴(kuò)散的屏障，但不知道該物理屏障是否也影響微生物的傳播。材料與方法16S rRNA基因克隆文庫(kù)的構(gòu)建： 表層沉積物取樣（0-2cm) 用 FastDNA SPIN Kit for Soil提取總DNA PCR擴(kuò)增(引物對(duì)GM3/GM4) 用PCR純化試劑盒純化 連接

3、轉(zhuǎn)化（引物M13 F和M13 R） 用TOPO TA克隆試劑盒進(jìn)行測(cè)序系統(tǒng)發(fā)育和序列分析 序列導(dǎo)入ARB軟件包，在ARB軟件包中對(duì)數(shù)據(jù)采用最大似然算法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。 統(tǒng)計(jì)工具 - LIBSHUFF應(yīng)用于遺傳距離模型，以確定庫(kù)組成的差異是否是由于偶然或生物效應(yīng)，并且被Monte Carlo 排列評(píng)估和進(jìn)一步校正多重比較。 統(tǒng)計(jì)工具SONS被用在16S rRNA基因全長(zhǎng)序列來(lái)進(jìn)行豐富度的估計(jì)。末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性 末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析包括三到五個(gè)表層沉積物樣品（ 0-2厘米），分別在每個(gè)區(qū)域的幾個(gè)核心，如海角，安哥拉和幾內(nèi)亞I-III （圖1 ，表2） 。統(tǒng)計(jì)分析 非度量多維標(biāo)度（N

4、MDS）和相似性（ANOSIM）的分析，運(yùn)用到 PAST程序中。 簡(jiǎn)單和部分的曼特爾試驗(yàn)（Mantel tests）是用來(lái)確定遺傳，空間和環(huán)境的距離模型之間的顯著性和相關(guān)系數(shù)。 地理距離和環(huán)境差異性（溫度，鹽度，pH值，Eh，TOC，葉綠素a和顆粒大小，表1）都被用來(lái)解釋遺傳差異性。以確定基因與地理距離的線性模型之間的關(guān)系強(qiáng)度。結(jié)果與討論南大西洋沉積物中細(xì)菌生物量和豐富度 16S rRNA基因文庫(kù)呈高度多樣性與多達(dá)20個(gè)不同門(mén)類的海角盆地和17個(gè)門(mén)的安哥拉和幾內(nèi)亞盆地（圖1 ） 。 前面描述的深海和淺層沉積物中也發(fā)現(xiàn)了大量的多樣性，這可能和存在一個(gè)微弱與平衡的競(jìng)爭(zhēng)有關(guān) 。 在98 的序列同源性

5、基礎(chǔ)上結(jié)合總豐富度估計(jì)（表2）和稀疏度曲線（補(bǔ)充圖S1）得出，海角，安哥拉和幾內(nèi)亞盆地表層沉積物中包含了相等的細(xì)菌豐度在0.05的顯著著性水平上。 分析預(yù)測(cè)表明，南大西洋沉積物中細(xì)菌的豐度比南極沉積物中的低但比北極沉積物中的高。16S核糖體RNA基因的細(xì)菌多樣性深海沉積物細(xì)菌群落主要是一些變形菌，分別占海角，安哥拉和幾內(nèi)亞盆地全部序列的64 ， 58和63 。 39種系型，均為已知種，這些菌主要是嗜冷微生物 以Gammaproteobacteria為例 77種系型，很大一部分來(lái)自培養(yǎng)品種，這些群體中包含 有一部分細(xì)菌的 16S rRNA基因序列只來(lái)源于其他深海 或永久寒冷的海洋生境 -，-和D

6、eltaproteobacteria變形菌綱占庫(kù)中所有序列的為1823。其他種類的序列豐度超過(guò)5（圖2） 細(xì)菌多樣性比較 目前盆地的種系型主要屬于Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria和綠屈繞菌綱（Chloroflexi）。 Chloroflexi 的一個(gè)主要群體被限制在安哥拉和幾內(nèi)亞盆地沉積物中。 -LIBSHUFF分析揭示了安哥拉和幾內(nèi)亞盆地以及海角和幾內(nèi)亞盆地（使用0.0012的最小P值）之間沒(méi)有顯著差異。 因此，常見(jiàn)的種系型主宰這些盆地的群落。 安哥拉和海角盆地的細(xì)菌群落呈顯著不同（-LIBSHUFF檢驗(yàn)，P=0.008）其中黃桿菌的T-RFLP

7、圖譜明顯不同（圖5b） 這些差異與海角盆地的葉綠素a含量，以及沉積物顆粒大小不同有關(guān)，表明環(huán)境因子似乎影響南大西洋東部深海沉積物的細(xì)菌群落。但是，需要在這個(gè)分析中采取空間參數(shù)考慮，以增強(qiáng)我們關(guān)于該群落變化的環(huán)境或空間效應(yīng)的解釋。生物地理學(xué)：環(huán)境和歷史因素 在南大西洋東部約3000米深處的鯨脊把海角盆地與安哥拉和幾內(nèi)亞盆地分隔開(kāi)，并導(dǎo)致了這些盆地的深層水團(tuán)不同。 根據(jù)16S rRNA基因庫(kù)和T-RFLP種系型分析表明，微生物的擴(kuò)散可能不會(huì)被鯨脊或不同水團(tuán)影響。 根據(jù)南大西洋和太平洋，南極和北極海洋沉積物（補(bǔ)充表S1）中常見(jiàn)的種系型表明，一些微生物有效地分散在一個(gè)巨大的距離，因此是世界性分布的。 為了獲得更多關(guān)于空間結(jié)構(gòu)的信息量，我們分析了遺傳多樣性和地理距離之間的相對(duì)關(guān)系。 基于距離衰減關(guān)系的16S rRNA基因和TRFs表明南大西洋和其他所有的站點(diǎn)都非常低（0.0030.07）（表3） 這表明是由于龐大群體的高擴(kuò)散率和低滅絕率造成的。 但是對(duì)16S rRNA基因序列的曼特爾（Mantel）測(cè)試顯示，環(huán)境和地理都（r =0.008，P=0.006和r=0.024，P