威海近海四种野生海藻藻际微生物多样性及其功能潜力的研究

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海洋在吸收CO2中发挥着重要的作用。大型海藻是海洋中的初级生产者之一,是沿海生态系统的关键参与者,作为许多水生生物的庇护所和食物来源,在维持海岸带生物多样性中扮演者重要的角色。大型海藻通过光合作用吸收CO2并向海洋中释放有机物质。大型海藻藻际微生物、周围海水中和沉积物中的微生物是海洋中有机物质循环利用的重要成员,是减缓全球气候变暖的重要贡献者。海洋多糖降解利用是海洋碳循环中重要的一部分。相关科学家陆续提出大型海藻在吸收CO2、实现碳中和方面有着巨大潜力。阐明大型海藻藻际微环境、海水和沉积物中微生物的生态意义,对于评估大型海藻在碳中和上的贡献有着积极意义。目前,国内还没有开展较为全面的针对大型海藻相关微生物群落组成和功能的研究。本论文以海洋中常见的石莼(Ulva sp.,绿藻)、海带(Saccharina sp.,褐藻)、蜈蚣藻(Grateloupia sp.,红藻)和石花菜(Gelidium sp.,红藻)四种大型海藻藻体、周围海水和沉积物为研究对象,通过大规模的细菌培养,16S rRNA(V3-V4)扩增子测序和二代宏基因组测序,分析了微生物群落组成和功能。本研究针对大型海藻藻际微环境的微生物组成与功能,通过宏基因组学与藻际细菌可培养区系研究的结合对大型海藻藻际微环境开展了系统的研究,并取得如下结果:(1)通过16S扩增子测序,得到了 92个样品的扩增子数据集。使用16S rRNA(V3-V4)扩增子测序技术,确定了在科与属水平上与四种大型海藻相关的核心的细菌群落组成。分析表明,来自同一地点的不同大型海藻藻际微环境的细菌群落在不同的季节间相似。对扩增子数据进行了 alpha和beta多样性分析。此外对四类大藻的核心细菌类群做了定义,并在科和属水平对核心藻际细菌类群展开了研究讨论。在藻际微环境中发现了相似但多样化的核心藻际细菌群落,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)和放线菌门(Actinobacteriota)中的10个科始终存在于所有大型海藻中,并且在不同季节具有相当的稳定性。虽然它们仅代表科类群数量的5%,但占细菌总的相对丰度的85%以上。通过基于16S rRNA扩增子序列分析,揭示了大型海藻藻际微环境与海水及沉积物在细菌群落组成上的异同,有助于有针对性的深入研究。(2)基于大型海藻藻际环境高度富营养化的特点,本研究设计了两种培养基,对大藻表面微生物展开了较大规模的分离培养实验。获得了大量的新物种资源,获得了丰富的藻际微生物类群的代表菌株。为以后的研究奠定了基础。通过对四种大型海藻藻际及其周围的海水与沉积物的大规模平板培养共得到了 5,527个菌株(4,426个来自藻际微环境),代表1,235个不同的物种(689个潜在的新物种)。分离到大量的大型海藻藻际细菌物种及细菌新物种,为后续功能代谢的研究储备了菌种资源,也丰富了我国细菌菌种资源库。(3)对965株不同样品来源的菌株进行了基因组测序。为了探究分离菌株在多糖利用位点(polysaccharide utilization locus,PUL)以及用于次生代谢物的生物合成基因簇(biosynthetic gene clusters for secondary metabolites,BGC)的多样性及其潜力,对分离自六个样品的965菌株分别进行了二代基因组测序。经过分析发现965株基因组代表了832个非重复的基因组以及820个不同的细菌物种。通过基因组大小的比较分析,发现来自于大型海藻藻际微环境的基因组大小的平均值最大,其次是海洋沉积物样品,而海水来源的基因组最小。获得大量的大型海藻藻际细菌及其他环境中细菌基因组,为后续功能及代谢的研究储备了丰富的菌株与高质量的基因组资源。(4)通过对23个宏基因组(共1.3T的原始数据)序列分析,得到了 1,618个中高质量的宏基因组组装基因组(metagenomic assembled genome,MAG)。尽管通过培养的方式可以得到大量的细菌类群,但对于稀有类群以及难培养类群的研究还需要宏基因组测序的补充。通过23个样品的宏基因组测序以及分箱,共得到1,618个中高质量的MAG,代表1,183个非冗余基因组。合并后的数据集包括2,093个物种的基因组,其中包括965个几乎完整的基因组和550个高质量的MAG(完整性>90%,污染≤5%),许多基因组代表了核心藻圈类群。这些MAG极大的提高了藻际微环境中难培养与稀有类群的代表性基因组的覆盖度。宏基因组测序、分箱使我们能够从各种环境中对不可培养与稀有类群细菌进行研究鉴定。(5)通过使用生物信息学,对2,583个基因组进行注释分析。主要对细菌的多糖降解潜力和BGCs的多样性进行研究。在拟杆菌门(Bacteroidota)中总共获得4,000多个PUL,这些PUL对应着多种多样的多糖底物。在2,583个基因组中注释到8,000多个BGC。多种多样的BGC为后续的研究提供了丰富的候选材料。通过生物信息学,分析了这些核心细菌的组成和可培养性,并对它们的一些潜在功能进行了分析,包括降解多糖和次生代谢物的生物合成的潜力。发现来自四类海藻来源的藻际细菌具有更多的碳水化合物活性酶(carbohydrate active enzyme,CAZyme),而来自海水样品的细菌类群含有更多的硫酯酶,尤其是疣微菌门(Verrucomicrobiota)、浮霉菌门(Planctomycetota)和 α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)。拟杆菌门(Bacteroidota)细菌具有相对较高的多糖降解潜力。大量高度多样化的BGC不仅在厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteriota)中被发现,在拟杆菌门(Bacteroidota)的Aquimarina属、α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的红杆菌科(Rhodobacteraceae)和浮霉菌门(Planctomycetota)中也有发现。这开阔了对藻际细菌功能的认识,为挖掘潜在资源储备了宝贵的菌株和基因资源。
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