微生物是湖泊生态系统中物质循环的重要引擎,同时它们也敏感地响应着区域性或全球性气候变化。剖析湖泊环境中的微生物群落组成及其与环境因子之间的对应关系,是利用微生物指标重建古环境的前提。我国青藏高原具有世界性独特气候、环境和地质构造条件,致使该区域内咸(盐)湖泊广泛发育。这些湖泊不仅拥有广泛的现代环境参数梯度(比如盐度和pH),而且其沉积物也较好地记录着历史时期的季风变化和全球性气候事件。因此,青藏高原湖泊是研究微生物群落响应全球气候变化理想场所。目前已有大量文献对青藏高原湖泊微生物群落多样性分布进行研究,然而系统地分析湖泊水体和沉积物微生物群落与环境参数之间的对应关系、生态网络结构、群落构建机制、预测模型以及微生物古DNA重建湖泊古环境的相关文献则较少。本论文以青藏高原湖泊为研究对象,凭借现代分子生态学方法研究了湖泊水体和沉积物中微生物群落的多样性及其分布特征,在此基础上探讨了青藏高原湖泊微生物群落的构建机制,分析了群落生态网络结构如何响应环境变化,最终基于微生物种群对环境条件的响应和微生物群落内部个体之间的关系,建立了青藏高原微生物群落预测模型。在上述研究的基础上,尝试利用功能微生物群的古DNA重建青海湖和库赛湖湖区第四纪古气候和古环境的演变历程。主要结果如下：1)通过对青海省九个湖泊(柯鲁克湖、洱海、青海湖、托素湖、尕海1、尕海2、小柴旦湖、茶卡湖和达布逊湖)沉积物样品中微生物群落多样性进行调查研究发现：沉积物样品微生物群落主要由以下门类组成：Euryarchaeota, Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Cyanobacteria, Firmicutes, Gemmatimonadetes, Planctomycete, Proteobacteria, Thermi, Verrucomicrobia。盐度是影响湖泊沉积物微生物群落多样性的主要因素。变形菌门Gammaproteobacteria和Clostridia细菌群落相对丰度与湖泊盐度有显著(p<0.05)相关性。样品α多样性和β多样性指数与盐度也有显著的相关关系。另外,Mantel检测发现九个湖泊沉积物微生物群落组成与盐度、pH以及主要的盐度离子(如K+、Na+、 Ca2+、Mg2+、Cl-和NO3-)有显著相关性。2)通过大范围(青海、西藏和新疆)湖泊微生物群落多样性研究发现：湖泊水体(44个样品)和沉积物(43个样品)微生物群落组成有显著差异。湖泊水体主要以Bacteroidetes、 Proteobacteria、Actinobacteria和Cyanobacteria细菌门类为主,沉积物样品主要以Bacteroidetes、Proteobacteria和Cyanobacteria细菌门类为主。盐度和地理距离影响着湖泊微生物群落组成。我们观察到湖泊水体样品中Halobacteria和Rhodothermi群落相对丰度与盐度呈显著正相关,而Actinobacteria、Betaproteobacteria、Saprospirae和Synechococcophycideae群落相对丰度与盐度呈显著负相关；湖泊沉积物中Clostridia和Gammaproteobacteria群落相对丰度与盐度呈显著正相关,Bacteroidia和Betaproteobacteria群落相对丰度与盐度呈显著负相关。湖泊水体和沉积物样品的a多样性和β多样性指数与盐度、地理距离和海拔有显著的相关关系。同样,Mantel检测显示盐度、pH、地理距离和海拔对微生物群落组成有显著影响。CCA偏分析结果显示：在湖泊水体样品中,盐度离子的综合解释量为34.3%,地理距离和海拔的综合解释量为9.0%,pH、DOC和TN的综合解释量为7.9%；在沉积物样品中,盐度离子的综合解释量为27.5%,地理距离和海拔的综合解释量为6.3%,pH和TOC的综合解释量为6.8%。3)通过对青海省湖泊功能微生物群落多样性的研究发现：[1]厌氧甲烷氧化菌群与厌氧氨氧化菌群共存于尕海1和尕海(盐度高达84克每升湖水)。[2]氨氧化古菌群落多样性研究发现：湖泊水体和沉积物amoA基因序列主要分属于Nitrososphaera、Nitrosopumilus和‘’low salinity" cluster,盐度对氨氧化古菌群落组成有一定影响：青藏高原湖泊栖息着特异的氨氧化古菌群落；聚类分析显示湖泊水体样品和沉积物样品分别聚集在一起；此外,沉积物中氨氧化古菌amoA(氨氧化关键基因)基因丰度与其标志化合物奇古菌醇(thaumarchaeol)有显著相关性。[3]一氧化碳氧化菌多样性研究显示：湖泊群落主要以Proteobacteria和Actinobacteria门细菌构成：一氧化碳氧化菌的组成主要受到盐度控制；在洱海, Betaproteobacteria型一氧化碳氧化菌是主要群体；然而在沉积物中Actinobacteridae型一氧化碳氧化菌是主要构成成分；在尕海1,尕海2和小柴旦湖主要以Alphaproteobacteria型一氧化碳氧化菌为主。在茶卡盐湖,未分类的一氧化碳氧化菌群分布于湖泊水体,然而沉积物中主要分布着Alphaproteobacteria型一氧化碳氧化菌。[4]硫氧化菌多样性研究显示：菌群主要分布于Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria纲；并且其分布受到盐度的影响；Alphaproteobacteria型的硫氧化细菌主要分布在高盐度的尕海2和小柴旦湖；而Betaproteobacteria型的硫氧化细菌主要分布于低盐度的尕海1和洱海。[5]Haptophyte和Dinoflagellate藻类群落多样性研究显示：湖泊Dinoflagellate和Haptophyte藻类多样性很低,且其群落结构受盐度影响。4)定量生态过程(随机性过程和确定性过程)分析显示：影响湖泊水体和沉积物中的微生物群落构建的影响因素在不同盐度湖泊间,贡献作用存在明显变化。对于水体样品,淡水湖泊中的生态选择作用贡献11.0%,分散限制伴随生态漂变作用贡献89.0%；咸水湖泊中的生态选择作用贡献10.0%,分散限制伴随生态漂变作用贡献86.3%,均匀分散作用贡献2.1%,单独的生态漂变过程贡献1.6%；而超咸湖泊中的生态选择作用贡献22.2%,分散限制伴随生态漂变作用贡献15.6%,均匀分散作用贡献6.7%,单独生态漂变作用则贡献55.6%。对于沉积物样品,淡水湖泊中的生态选择作用对微生物群落构建的贡献为30.8%,分散限制伴随生态漂变作用贡献67.9%,单独生态漂变作用贡献1.3%：咸水湖泊中的生态选择作用贡献29.4%,分散限制伴随生态漂变作用贡献56.2%,均匀分散作用贡献8.5%,单独生态漂变贡献5.9%；而超盐湖泊中的生态选择作用贡献30.3%,分散限制伴随生态漂变作用贡献13.6%,均匀分散作用贡献13.6%,单独生态漂变作用贡献42.4%。5)盐度影响着湖泊微生物生态网络结构复杂度：分子生态网络节点数和连通性随盐度等级升高而减少；群落相对丰度越高则连通性越强；不同盐度等级湖泊生态网络节点连通性组成差异明显(Bray-Curtis dissimilarity 大于 0.65).6)微生物预测模型分析显示：MAP (microbial assemblage prediction)模型预测的湖泊水体微生物群落组成与观察到的实际群落组成Bray-Curtis相似性为0.84；模型预测的湖泊沉积物微生物群落组成与观察到的实际群落组成Bray-Curtis相似性仅为0.52。7)湖泊咸化和淡化野外模拟实验显示：样品微生物群落主要由以下门类组成：Crenarchaeota、Euryarchaeota、Acidobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、 Cyanobacteria、Firmicutes、Planctomycetes、Proteobacteria、Verrucomicrobia。盐度对湖泊微生物群落具有选择性。我们发现许多群落相对丰度与盐度具有显著相关性。但是Bacilli、Actinobacteria、Deltaproteobacteria、Flavobacteria、和Halobacteria群落丰度与盐度的相关关系在现代环境样品中却很少发现。相关性分析显示湖泊咸化和淡化实验样品微生物群落组成的Bray-Curtis差异性与盐度差异有显著(p<0.001)相关性(咸化：r=0.618,淡化：r=0.923)。8)库赛湖和青海湖沉积柱氨氧化古菌群落丰度、Haptophyte和Dinoflagellate藻类丰度和真核生物群落组成及其丰度响应着历史时期湖泊盐度、温度和营养状况。这些湖泊环境条件的改变主要受到当地气候事件或全球性气候事件的影响。比如全球性干冷事件Younger Dryas、 Heinrich eventl、Bond events。综上所述,本论文对青藏高原湖泊微生物群落进行了全面、深入的研究,研究结果系统地揭示了湖泊微生物群落结构的主要影响因素、不同盐度等级湖泊的群落构建机制以及其生态网络结构关系,并成功地构建青藏高原微生物群落预测模型。此外,我们成功地应用古DNA分析方法恢复了库赛湖和青海湖沉积柱中氨氧化古菌群落丰度、Haptophyte和Dinoflagellate藻类丰度和真核生物群落组成,并凭借将今论古的方式重建湖泊古环境和古气候变化。该研究有助于我们充分理解生态和生物演化对全球气候变化的响应,进而为评估全球环境变化给生物圈带来的影响提供科学理论依据。