基于纯培养及组学方法研究蓝藻聚集体中好氧不产氧光合细菌的群落结构与功能

Cyanobacteral bloom is a common ecological disaster, occurring as a result of anthropogenic inputs to lakes. Cyanobacteria such as Microcystis usually form large colonial aggregates covered by an amorphous mucilage or sheath. These aggregates have been described as floating biofilm, a structure that constitutes a potential niche for numerous heterotrophic bacteria. One group of phototrophic bacteria, the aerobic anoxygenic phototrophic bacteria (AAPB), which is often associated with cyanobacteral bloom in the ocean and freshwater lakes. In order to elucidate the diversity and functional roles of AAPB within aggregates, the project will utilize cultural and Omics methods. 1) isolate AAPB strains from aggregates sampled from Taihu, Caohu and Dianchi, and study the strains’ physiological and genome features, to show the general features among the AAPB;2) obtain aggregates specific genes from AAPB by comparative genomics; 3) When co-cultured with Microcystis in N-limited medium, it was evidenced that AAPB promoted cyanobacterial growth, the possible molecular mechanism will be elucidated by transcriptomics. 4) the different AAPB gene expression in daytime and night within aggregates in situ by metatranscriptomics. 5) summarize all the data to elucidate that how the AAPB cope with the environmental changes within aggregates. This study will provide a huge AAPB physiological, genomic and transcriptomics data, and these data will be very useful for explanation of cyanobacteral bloom.

蓝藻水华是富营养化湖泊常见的生态灾害。少有研究从微生物角度认识蓝藻水华的暴发机制。在湖泊现场，数千个蓝藻细胞聚集在一起，形成肉眼可见的聚集体。聚集体内富含有机质，以好氧不产氧光合菌（AAPB）为主的细菌大量分布其中。藻细胞和细菌结合紧密，二者之间有重要和频繁的物质能量循环。为了了解聚集体内AAPB结构和功能，拟采用纯培养和组学手段开展以下研究：1）从太湖、巢湖、滇池等湖泊收集聚集体样本，分离AAPB，普查生理生化特征，基因组测序，总结其共同的生理生化和基因组特征；2）确定AAPB对聚集体环境适应的特异基因；3）和蓝藻共培养在氮限制培养基中时，AAPB表现促藻功能，确定其表达谱；4）确定和比较AAPB在黑夜和白天采集的湖泊现场样本中表达谱；5）整合分析以上数据探究以AAPB为代表的聚集体微生物对藻华环境响应的分子遗传学机制。本研究将为揭示蓝藻水华的微生物成因提供重要的基因组资料和生物学基础。

微囊藻是世界范围内的有害藻，随着全球变暖和湖泊营养盐浓度增加，藻华持续的时间和范围会继续扩大。认识藻华发生的规律是治理的前提。但目前对水华的认识多从水环境理化角度，而忽略对微囊藻自身的认识。本项目从2个方面研究微囊藻及其共生细菌生物生态学，揭示藻华爆发的生物学原因。1. 微囊藻的共生菌的结构和功能。微囊藻在湖泊中形成肉眼可见的聚集体。在聚集体中分布着大量的异养细菌，16S rRNA基因和光合基因pufM的高通量测序都表明，大约20%的共生细菌是好氧不产氧光合细菌（以下称AAPB），这一结论也适用于世界范围内爆发微囊藻水华的12个湖泊。聚集体内外的AAPB种群结构和丰度截然不同，内部是alpha变形菌，外部的则是beta变形菌。我们从聚集体内分离培养了225株细菌，挑选了代表聚集体中丰度最高的15株AAPB做了全基因组测序，其中一株是完成图。在所有的AAPB的基因组上发现了完整的光合基因簇，其中的3个AAPB有反硝化基因簇。和同属其他的非AAPB的细菌的基因组相比，AAPB有丰富且独特的化感系统。世界范围内的12个湖泊的宏基因组的数据显示，pufM基因和硫氧化基因soxXY基因的丰度呈正相关（R2=0.4）。我们利用生物信息学工具，拼接了20个高质量的AAPB基因组，在其基因组上发现了硫氧化基因簇。2. 微囊藻的分类研究。前人研究发现不同的微囊藻种有不同的共生菌。因此，共生菌有藻种特异性。目前的微囊藻分类是依据形态学特征。但形态学特征特征会随着培养环境的改变而改变。NCBI数据库种的122个藻种的16S rRNA基因相似性>99.5%。这表明需要用全新的方法对微囊藻物种重新界定。对122个已发表的微囊藻全基因组（3.85-5.89Mbp）的核心和非核心基因系统发育分析以及基于全基因组的相似性分析（包括平均核酸相似性和电子DNA-DNA杂家），揭示了至少16个假定的基因组物种。11个基因组物种中有至少一个铜绿微囊藻形态物种，10物种包括两个或更多形态物种。我们提出了11个标记基因，可以用于研究湖泊中微囊藻的生态种群分布。本研究表明微囊藻共生菌在聚集体中的碳，氮，硫循环中有十分重要的作用，而且需要在微囊藻分类的基础上对深入研究藻菌关系。

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