鄂霍次克海冷泉沉積物真核生物多樣性的初步研究

高 遠, 李富超 姜 鵬 秦 松 欒錫武 秦蘊珊

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 研究生院, 北京 100049)

鄂霍次克海冷泉沉積物真核生物多樣性的初步研究

高 遠1,2, 李富超1, 姜 鵬1, 秦 松1, 欒錫武1, 秦蘊珊1

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 研究生院, 北京 100049)

從鄂霍次克海沉積物樣品中提取總基因組DNA, 進行核糖體rRNA基因內轉錄間隔區(ITS)的擴增, 構建克隆文庫并進行測序, 對該環境下真核生物的多樣性進行了初步研究。結果發現, 該環境下的真核生物具有較高的多樣性, 主要為 3大類, 真核藻類、真菌和微型浮游動物。藻類和微型浮游動物的組成與前人在該海域浮游生物生態學的研究相吻合, 而真菌群落具有較高的多樣性, 這為該區域真核生物多樣性、所參與的生物地球化學過程及生態學意義的研究奠定了基礎。

冷泉沉積物; 核糖體rRNA基因內轉錄間隔區; 真核生物多樣性

冷泉是指溫度接近于海水, 而以高于周圍水環境濃度的烴類化合物(主要為甲烷)、硫化物或二氧化碳為主要成分, 受地質構造或壓力梯度作用滲出沉積物表層的流體[1]。海底冷泉作為一種極端環境具有獨特的生物多樣性和極高的生物密度[2], 該環境下的生物群落逐漸被發現和報道, 已成為地質學、生物學的研究熱點, 為地球生物化學、生命演化和極端生命的研究提供了機遇。

通過環境樣品基因序列的分析來研究環境生物多樣性被廣泛應用于原核微生物生態學研究, 并已成為不可或缺的研究手段[3]。然而該方法在真核生物生態學方面尚未被普遍采用。Heath[4]曾通過該方法對森林土壤環境樣品中的真菌群落進行過研究, 其使用了真核生物通用的核糖體DNA內轉錄間隔區引物 ITS1/ITS4, 發現相對于傳統的培養方法, 該方法發現了極為豐富的生物多樣性, 而與 DGGE等指紋圖譜方法相比能夠提供前者所不能提供的完全的物種信息。Lai等[5]通過構建 ITS的克隆文庫, 分析了南海甲烷水合物富集區的真菌群落多樣性。轉錄間隔區是真核生物中分隔核糖體大亞基與小亞基rRNA基因的區域, 由于其進化速率較快, 可用于很多真菌、植物和藻類屬和種水平上的識別和鑒定。目前對于該序列, 已經具有基因信息量很大的數據庫[6], 這為該序列在多樣性研究方面的應用提供了基礎。

鄂霍次克海位于太平洋的西北角, 千島島弧的內側, 海域面積僅次于中國的南海, 是西北太平洋大陸邊緣中第二大邊緣海, 其三面被高聳的山脈環繞, 這為該地區提供了大量有機及無機的沉降顆粒[7], 通過對海底沉積物中生物多樣性的研究將對該海域浮游生物生態學提供佐證。同時由于鄂霍次克海的海底是一種典型的冷泉環境, 在該海域進行該類研究還將有助于對極端生命的探索。

1 材料與方法

1.1 采樣

2006年5月由俄、韓、日、中四國共同組織的鄂霍次克海天然氣水合物聯合調查航次, 取得了海底表層沉積物的柱狀樣品。沉積物樣品名： LV39-18H;采樣深度： 715 m; 經緯度： 54°29.92′N, 144°16.53′E;由中國科學院海洋研究所海洋地質與環境重點實驗室提供。

1.2 DNA的提取

通過FastDNA Spin Kit for Soil(MP Biomedicals,美國)試劑盒對該柱狀沉積物 0～40 cm 的表層樣品0.35 g進行總DNA的提取。

1.3 真核生物ITS片段的擴增

1.3.1 PCR反應體系及反應條件

使用 ITS通用引物 ITS1 (5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG)和 ITS4(5′-TCCTCCGCTTAT TGATATGC)[8], 使用實驗方法1.2中提取的DNA作為模板。PCR反應體系如下： DNA模板 0.5 μL; ITS1引物(10 μmol/L)1 μL, ITS4 引物(10 μmol/L)1 μL; 2×MasterMix Taq酶 12.5 μL (天根生化科技有限公司, 中國);Mili Q水補至 25μL。使用 Biometra Tprofessional PCR儀(德國), 反應條件如下： 94°C預變性 6 min;94°C 50 s, 50°C 50 s, 72°C 70 s, 循環 30 次; 72°C 延伸10 min。

1.3.2 PCR產物的檢測

使用1%瓊脂糖凝膠對PCR產物進行電泳, 溴化乙錠染色后于紫外凝膠成像分析系統(Bio-Rad, 美國)下進行檢測。

1.4 構建克隆文庫

使用 DNA瓊脂糖凝膠回收試劑盒(Bioteke, 中國)對 PCR 產物進行回收。與克隆載體pMD18-T(TaKaRa, 日本)連接并轉化到Escherichia coliTop10(Invitrogen, 加拿大)細胞中, 于 37°C 恒溫培養過夜。挑取48個單菌落, 送到上海美吉生物醫藥科技有限公司進行序列測定。

1.5 序列分析

通過 BLAST軟件從 GenBank獲得與本實驗所得到序列親緣關系最近的序列。使用 CLUSTAL W軟件[9]進行多序列比對。根據97%的分類標準, 將所得的序列使用 DOTUR軟件[10]進行系統發育類型的歸類。使用DOTUR對文庫進行各統計學指數的分析：稀有度曲線作為判斷文庫系統發育類型豐富度的參考; Shannon多樣性指數用來評價系統發育類型多樣性; Chao1 豐富度指數用來推斷樣品中物種總數。

2 結果

2.1 對所得序列的統計學分析

對 48個單菌落進行測序, 去除不成功的序列,共獲得 38條序列, 通過 DOTUR軟件分析, 所有序列根據 97%的分類標準被劃分為 19個系統發育類型。

通過 BLAST檢索, 發現所有的 38條序列主要來自3大類, 分別為藻類(19條序列)、真菌(8條序列)和浮游動物(11條序列), 分別占克隆總數的 50%,21.1%和28.9%。3大類群中具體門類所占比例如圖1所示, 對各大類群的統計分析如表1所示, 各大類群在文庫中的稀有度曲線如圖2所示。

圖1 各真核生物類群占ITS克隆文庫的比例Fig. 1 Proportion of each eucaryotic group in the ITS clone library藻類用交叉線表示, 真菌用直線表示, 浮游動物用點表示Algae represented by crossed lines, fungi represented by straight lines and zooplankton represented by dots

表1 對真核生物ITS文庫的統計學分析Tab. 1 Statistical analysis of ITS library

圖2 ITS克隆文庫各類群的稀有度曲線Fig. 2 Rarefaction curve of each group in the ITS clone library

具體來說, 根據Shannon多樣性指數顯示, 真菌的多樣性最高, 達到2.08, 浮游動物多樣性最低, 為1.04。Chao1指數也表現出相似的趨勢, 真菌的Chao1指數達到36, 而浮游動物該指數僅為3。就整個ITS文庫來說, Shannon指數和Chao1指數分別達到2.56和38.5。

從稀有度曲線可以看出, 隨著克隆抽樣次數的增加, 真菌系統發育類型數目表現出同步增長趨勢,即完全未達到飽和。與此相反, 浮游動物的系統發育類型基本達到飽和并最終穩定在 3左右, 而藻類表現出部分飽和。

2.2 真核生物多樣性

2.2.1 藻類多樣性

屬于藻類的19條序列可被劃分為8個系統發育類型。具體來說, 5個系統發育類型屬于硅藻, 另有2個和 1個系統發育類型分別屬于綠藻和甲藻。其中屬于3個系統發育類型的12條序列與硅藻角毛藻屬(Chaetoceros)的親緣關系最高(相似度分別為 97%、92%和 93%), 該屬為藻類中的優勢類群, 占藻類總克隆數目的63.2%。另有屬于2個系統發育類型的3條序列與綠藻門的海洋綠色微藻Koliella spiculiformis的親緣關系最高(相似度分別91%和90%)。此外還發現了 4條序列分別與硅藻門雙環海鏈藻屬(Thalassiosira, 一條序列, 相似度 85%)和短縫藻屬(Eunotia, 兩條序列, 相似度87%)以及甲藻門裸甲藻屬(Gymnodinium, 一條序列, 相似度 84%)有較低的相似度。

2.2.2 真菌多樣性

屬于真菌的所有 8條序列分別屬于不同的系統發育類型, 即共可劃分為8個系統發育類型。它們分別來自壺菌門、擔子菌門、接合菌門和子囊菌門, 另有3條序列分別與環境樣品中獲得的ITS序列親緣關系最近, 目前尚無法具體鑒定。其中來自子囊菌門的序列與海洋酵母菌梅奇酵母屬(Metschnikowia)有93%的相似度。

2.2.3 浮游動物多樣性

屬于浮游動物的11條序列可被劃分為3個系統發育類型, 經過BLAST檢索發現, 所有3個系統發育類型都屬于 20～200 μm 微型浮游動物的纖毛蟲,其中兩個系統發育類型的序列與無殼纖毛蟲的Strombidium具有較高同源性(相似度為98%和96%),而另一系統發育類型的序列與砂殼纖毛蟲的Tintinnopsis具有較高同源性(相似度為97%)。

3 討論

從鄂霍次克海沉積物樣品中提取總基因組 DNA,進行 ITS基因的擴增并構建文庫對該環境下真核生物的多樣性進行了研究。

統計學分析特別是 Shannon指數提示, 在該冷泉沉積物環境中真菌具有極高的多樣性, 而浮游動物的多樣性最低。根據飽和曲線顯示出相似結果, 由于挑取的克隆數較少, 真菌多樣性曲線完全未達到飽和, 但是浮游動物多樣性已基本達到飽和。基于以上多樣性分析, 我們建議使用真菌特異的 ITS引物或增加測序克隆數目, 以對真菌類群的多樣性進行進一步研究。

本文中發現的藻類序列大部分來自能引起赤潮的浮游藻類。其中角毛藻在許多文獻中記載為鄂霍次克海域最主要的浮游藻類[11], 本文的結果也與前人對浮游生態學的研究相吻合。有趣的是, 在我們對該沉積物 16S rRNA基因構建的克隆文庫中也發現了占該文庫較高比例的角毛藻屬葉綠體 16S rRNA基因(數據未發表), 且此類群在沉積年代數萬年的深度仍有發現, 因此推測本研究發現的這些序列很可能來自這類浮游硅藻產生的隨沉積作用進入沉積物的休眠細胞。此外與赤潮藻類硅藻門雙環海鏈藻屬和甲藻門裸甲藻屬有一定親緣關系的序列在本文中也有發現。總體來說, 硅藻在所有這些赤潮藻類中占絕對優勢, 這可能是因為與甲藻等其他赤潮藻類相比, 硅藻主要采取r-對策, 即通過產生大量的有數月乃至幾年生活力的休止細胞, 能夠迅速適應適宜環境。在海底沉積物中, 硅藻休止細胞數目占有絕對優勢的現象也屢次通過常規生態學方法檢測到并被報道[12]。

本文中發現的真菌多樣性大大高于其余兩大類群, 這提示在海洋沉積物環境中的真菌群落有可能為我們提供豐富的藥源和基因資源, 比如梅奇酵母屬是重要的海洋酵母菌, 已有對其酸性蛋白酶基因進行開發的相關報道[13]。因此對海洋真菌的進一步研究將有著重要的應用和經濟價值。

無殼纖毛蟲和沙殼纖毛蟲是兩類主要的 20～200 μm微型浮游動物, 在世界許多海域具有較高的生物量[14]。本研究發現的上述兩類浮游動物的序列, 分別屬于Strombidium和Tintinnopsis。前者為鄂霍次克海中一種優勢浮游動物[15], 而后者在鄂霍次克海的分布也早在1932年就由Hada[16]報道過。

4 結論

本文的序列大部分來源于鄂霍次克海中的浮游藻類和浮游動物, 通過沉降作用到達沉積物中, 本文的研究在一定程度上為浮游生態學的研究提供了佐證。真菌是本研究中發現的 3大類群中多樣性最高的類群, 對該類群的進一步研究將有重要的科研和經濟價值。此外, 本研究也證明通過對ITS序列進行擴增進而構建克隆文庫的分子生物學方法確實能夠發現較高的多樣性并方便進行有效的統計學分析,這為今后對該區域真核生物特別是真菌的多樣性、所參與的生物地球化學過程及生態學意義的研究奠定了基礎。

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Study of eukaryotic diversity in cold seep sediment of the Okhotsk Sea

GAO Yuan1,2, LI Fu-chao1, JIANG Peng1, QIN Song1, LUAN Xi-wu1,QIN Yun-shan1
(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

May,11,2011

cold seep sediments; internal transcribed spacers; eukaryotic diversity

The eukaryotic diversity in the sediment sampled from the Okhotsk Sea was evaluated using direct isolation of internal transcribed spacer (ITS) rRNA genes by PCR and sequencing of cloned fragments. It is shown from the results that the eukaryotic community exhibited high diversity and all of the sequences were from three groups：algae, fungus and microzooplanktons. The constructions of algal and microzooplanktonic communities were consistent with previous ecological research results in this area. Interestingly, we found that the fungal community showed relatively high diversity, which provided clues for further research.

X17

A

1000-3096(2012)05-0029-05

2011-05-11;

2011-07-23

中國科學院知識創新工程項目——深海極端環境微生物生命過程研究(KZCX2-YW-JC201), 深海沉積物中甲烷代謝相關微生物群落的元基因組學探索性研究(KSCX-2-YW-G-022, 2007-1); 中國大洋協會項目——深部生物圈微生物活動在沉積物和間隙水中的地球化學記錄研究(DYXM-115-02-2-17)

高遠(1983-), 男, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事深海微生物生態學研究, E-mail： gy.james@163.com; 秦松, 通信作者,男, 研究員, 博士生導師, 主要從事海洋生物工程研究, E-mail：sqin@ms.qdio.ac.cn

(本文編輯：張培新)