胶州湾有害藻华物种组成和动态变化的高分辨率宏基因组学研究

Harmful algal blooms (HABs) have become a worldwide marine disaster, damaging the marine economy and marine ecosystem. Metagenomics is a reliable and efficient method for studying the HAB species, which largely makes up for the shortcomings of traditional morphological method. Jiaozhou Bay represents a typical offshore ecosystem of China seas and is an ideal experimental site for studying the community composition and dynamic change of HAB species under climate change and human activities. In recent years, HABs reported in Jiaozhou Bay remarkably reduced, while HABs are frequently reported in the adjacent waters. Is the change of environmental factors or the decrease of HAB species resulting in reducing the frequency of HABs in Jiaozhou Bay? Accordingly, two main problems are proposed in this project: “What are the composition and distribution of the main HAB species? What are the dynamic change of the HABs species and its relation with environmental factors?” In this project, we will systematically construct a molecular markers database of HAB species in Jiaozhou Bay and comprehensively analyze the community composition and dynamic change of HAB species, using the high-resolution metagenomic method based on the third-generation DNA sequencing technology. The project will provide a demonstration for metagenomic research on HABs in China seas, and lay a reliable foundation for further study of the process, mechanism and monitoring of HABs.

近年来有害藻华愈演愈烈，已成为制约近海经济发展和破坏海洋生态的典型海洋灾害。宏基因组学是研究有害藻华物种可靠而高效的新手段，在很大程度上弥补了传统形态学方法的缺陷。胶州湾是我国近海生态系统的缩影，也是研究有害藻华的理想实验场所。胶州湾存在大量营养盐，历史上该海域有害藻华频发，但近十年来暴发明显减少，而邻近海域却时有报道。胶州湾有害藻华暴发减少是因为环境因素的变化，还是有害藻华物种的减少？由此，本项目提出以下科学问题：“胶州湾有害藻华物种组成和分布如何？其动态变化与环境因子的关系如何？”本项目拟对胶州湾常见有害藻华物种进行分离鉴定，构建其分子标记数据库；在此基础上，利用第三代测序技术对环境样品进行高分辨率宏基因组学研究，全面解析胶州湾有害藻华物种组成和分布，探讨其动态变化和环境因子的关系。本项目将为我国海域有害藻华物种宏基因组学研究提供方法示范，以期为有害藻华暴发原因和机理研究提供前期基础。

胶州湾是我国典型的近海海湾，也是近海生态系统的缩影。历史上胶州湾海域有害藻华频发，因此也是研究有害藻华暴发机制的理想实验场所。分子生物学方法是研究有害藻华物种可靠而高效的新手段，在很大程度上弥补了传统形态学方法的缺陷。本项目按照研究计划执行，在系统综述历史上报道的胶州湾海域浮游植物和有害藻华物种多样性基础上，逐月分离纯化胶州湾海域常见浮游植物、经过高通量测序和分子生物学方法组装了365条全长18S rDNA序列；首次搭建该海域宏条形码分析流程，并利用该流程逐月跟踪了胶州湾海域全年浮游植物群落组成和时空动态分布。结果显示该海域浮游植物群落相对于空间分布，呈现出显著时间（季节）动态变化，不同浮游植物展示出强烈的季节偏好性。浮游植物群落的时空动态分布受多种环境因子（特别是温度）的影响。此外，浮游植物与其他物种的互作和浮游植物特有的生活史（比如形成休眠孢囊）对浮游植物群落时间偏好性影响较大。该项目也对包含有害藻华物种的典型属：骨条藻、海链藻、角毛藻和马格里夫藻等进行了针对性研究，表明属内不同物种呈现出独特的分布模式。但是通用分子标记的分辨率有限，因此选择了胶州湾了丰度最高的浮游植物：骨条藻为研究对象，构建其细胞器基因组，比较分析开发了针对骨条藻特异性高分辨率的分子标记，可以特异性跟踪骨条藻的分布。项目在Water Research、Harmful Algae和Frontiers in Plant Science等期刊发表研究论文 6 篇，其中 SCI 收录论文 5 篇。通过本项目，获得了胶州湾海域植物群落（特别是有害藻华物种）的组成和动态变化，为胶州湾海域有害藻华物种多样性研究提供一份翔实可靠的本底资料，为未来深入研究有害藻华暴发机制研究奠定基础。

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