遼河口沉積物中參與主要生物地化循環的微生物功能基因分析*

宋吉雪 明紅霞 石婷婷 蘇 潔 陳泉睿, 3 金 媛 樊景鳳

遼河口沉積物中參與主要生物地化循環的微生物功能基因分析*

宋吉雪1, 2明紅霞1, 2石婷婷1, 2蘇 潔1, 2陳泉睿1, 2, 3金 媛1, 2樊景鳳1, 2①

(1. 國家海洋環境監測中心 大連 116023; 2. 國家海洋環境保護近岸海域生態環境重點實驗室 大連 116023; 3. 廈門大學海洋與地球學院 廈門 361005)

遼河口區域豐富的生物多樣性在生物地球化學循環和維持生態系統功能等方面發揮著極其重要的作用。研究遼河口表層沉積物中參與常見地球化學循環的功能基因及其關鍵影響因子, 對揭示和預測遼河口沉積物微生物的功能代謝潛力和受環境變化的影響具有重要意義。應用功能基因芯片(GeoChip 4.0)技術開展微生物功能基因多樣性研究。結果表明: 在6個沉積物樣品中, 檢測到各類型功能基因48 742個, 反映了9個微生物介導的關鍵生物過程。其中, 碳循環相關功能基因最多, 其次是氮循環和硫循環, 而磷循環相關功能基因較少。各站位生物過程相關的功能基因數量和熒光信號值整體呈由遠海到近海上升的趨勢, 即河相區的微生物功能基因較海相區與混合區普遍豐富。碳循環中參與碳固定的基因熒光信號值最高。氮循環中反硝化功能基因熒光信號值最高。總磷與硝酸鹽是影響微生物功能基因多樣性分布格局的重要因素。該研究有助于了解環境變化對遼河口沉積物生態系統結構和功能的影響, 為研究遼河口表層沉積物微生物介導的生物地球化學循環提供科學依據。

遼河口; 表層沉積物; 微生物; 基因芯片; 功能基因

遼河口位于渤海遼東灣北部, 是遼寧省最大的入海河流, 每年向遼東灣輸入大量營養鹽和泥沙, 具有明顯的豐水期與枯水期兩個季節性變化, 是研究元素生物地球化學循環的熱點區域(Canuel, 2016; 趙美訓等, 2017)。遼河口又作為一個淡咸水過渡區域, 大量陸源元素輸入和環境因子的共同影響使得沉積物中的微生物更加復雜多樣。目前對河口細菌群落的組成已經有了大量的研究, 包括德國派克河口(Crump, 2004)、法國羅納河口 (Troussellier, 2002)、葡萄牙阿維羅河口(Henriques, 2006)、中國長江口(Sekiguchi, 2002)和美國切薩皮克灣(Kan, 2008) 。以研究較多的美國切薩皮克灣為例, 其細菌群落呈現出顯著的季節性變化和周期性的年際變化特征; 這些變化除了受水的滯留時間和細菌生長速度影響外, 還可能受其他許多環境因子的影響(Kan, 2008; 闞金軍等, 2011)。近年來, 科學家們正在利用高通量基因組學、轉錄組學和蛋白質組學等技術去研究自然條件下微生物群落錯綜復雜的基因多樣性和表達, 提供了揭示水環境中微生物群落組成和新功能基因的途徑。國內目前對于遼河口區域的研究也多集中于反硝化相關功能基因的豐度和多樣性分析。因此研究遼河口表層沉積物中功能基因多樣性及其變化, 對了解和預測遼河口沉積物微生物的功能代謝潛力和受環境變化的影響具有重要意義。

近年來, 高通量基因組學技術的快速發展, 極大地促進了微生物群落的相關研究。與高通量測序技術相比, 微生物功能基因芯片“GeoChip”的優勢是根據微生物相關的各類功能基因獨立設計特異性探針, 極大地降低了特殊樣品中動植物宿主基因組對微生物群落功能檢測的影響(Yang, 2014)。GeoChip 4.0是由周集中教授(Bai, 2013; Gao, 2014)及其團隊研發, 包括570 042多種寡聚核酸探針, 靶向與生物地球化學循環相關的代謝途徑(如碳、氮、硫和磷循環、金屬電阻、抗生素耐藥性和有機修復等)中2 433多種功能基因家族及268 059多種編碼基因。目前關于微生物的功能特征如與代謝途徑相關的功能基因、基因在生態系統過程中的代謝潛力等方面開展的研究已有很多(Rui, 2015; 張欣等, 2017)。例如利用包含24 243個寡核苷酸探針(10 000多個與氮、碳、硫和磷循環和有機污染物降解相關的功能基因)的功能基因芯片研究了不同緯度上的南極土壤微生物群落變化等(Zhang, 2017)。

本研究利用GeoChip 4.0技術, 以遼河口為研究區域, 研究其表層沉積物微生物功能基因多樣性, 進而了解影響微生物功能基因多樣性的主要環境因子, 為揭示和預測遼河口表層沉積物微生物介導的生物地球化學循環提供科學依據, 同時為遼河口區域生態環境治理提供了理論支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據遼河口水文特征及相關地理信息, 于2018年6月12日至15日期間在遼河口海域進行表層沉積物樣品采集。共設置6個站位(圖 1 ), 分別表示海相區(S1、S2, 水深7—14 m), 混合區(S3、S4, 水深4—5 m), 河相區(S5、S6, 水深3—6 m)。使用抓斗采泥器采集沉積物表層 0—10 cm處樣品, 采樣面積為0.1 m2, 且每個站位重復采樣3次, 混勻均質化后保存于無菌自封袋中,-20 °C條件下運回實驗室。

圖1 采樣站位圖

1.2 環境參數測定

沉積物中總磷(TP)通過分光光度法測定(姜峰等, 2017), 總有機碳(TOC)通過重鉻酸鉀氧化-還原容量法測定(李旭冉, 2015), 總氮(TN)通過凱氏定氮法測定(高一亮等, 2015), 沉積物中粒度使用激光衍射粒度分析儀(LS13320SW, 美國)測定, 參照2007年中華人民共和國國家標準(GB 17378.5-2007)“海洋監測規范, 第5部分: 沉積物分析”。

1.3 基因芯片測試與數據分析

將每個站位沉積物樣品解凍混勻后, 稱取約0.30 g, 使用DHeasy PowerSoil Kit試劑盒(QIAGEN公司)進行DNA提取, 各站位取3組平行樣品。用微量紫外分光光度計測定DNA濃度, 并使用1.5%的瓊脂糖凝膠進行電泳檢驗。將檢測合格的DNA樣品進行熒光標記、芯片雜交、芯片掃描與成像(基因芯片實驗每組進行三個重復)。

基因芯片具體步驟如下, 采用隨機引物法用熒光染料Cy-5對DNA樣品進行熒光標記(Tu, 2014)。采用QIA試劑盒(Qiagen, Valencia, CA)純化熒光標記后的DNA, 將標記成功的放入真空干燥機, 45 °C下干燥 45 min; 接著在標記后的DNA樣品中加入120 μL雜交緩沖液(40%甲酰胺, 3×SSC, 0.1% SDS, 10 μg未標記的Herring Sperm DNA), 待完全溶解后95 °C下變性5 min, 然后置于50 °C培養箱中保存; 在MAUI雜交平臺(Bio Micro, Salt Lake City, UT, USA) 42 °C培養箱中進行雜交16 h; 用Nimble Gen MS 200掃描儀(Roche, Madison, WI, USA)對雜交后的芯片進行掃描。掃描得到的圖像由ImaGene (Biodiscovery Inc, El Segundo, CA, USA)進行預處理后, 進行信號強度的標準化。

數據的標準化處理包括片間歸一化和去假陽性。把各個樣本光強總和調整到同一批次光強最高的樣本的水平。去掉信噪比(SNR)小于2.0的低質量點; 將信號值標準化, 即先將每個點的信號值除以相應微陣列的所有信號值的總和, 再乘以所有微陣列的平均值; 最后轉化為自然對數(Zhang, 2017)。采用Excel和SPSS 21.0等軟件對功能微生物基因類群進行統計分析。使用生物統計學軟件R軟件中的Vegan軟件包對表層沉積物微生物功能基因與環境因子的關系進行RDA分析。

2 結果與分析

2.1 環境因子的理化特征

遼河口表層沉積物的粒徑主要是由淤泥(Silt)、黏土(Clay)和砂(Sand)三種物質組成, 其中S1站位的黏土(Clay)含量占比最高為31.18%, S3站位的淤泥(Silt)含量占比最高為60.13%, S4站位的砂(Sand)含量占比最高為28.76%。總有機碳(TOC)含量在海相區高于河相區; 總磷(TP)濃度在海相區(57.2—185 μg/g) >河相區(84.4—117 μg/g) >混合區(90.3—99.6 μg/g); 總氮(TN)濃度在混合區(60.5—298 μg/g) >河相區(76.5—90.5 μg/g) >海相區(34.7—40.2 μg/g)。

表1 環境因子的理化特征

Tab.1 Physical and chemical characteristics of environmental factors

2.2 遼河口表層沉積物微生物功能基因多樣性

Geochip檢測到遼河口表層沉積物中各類型功能基因48 742個, 反映了9個微生物介導的關鍵生物過程。其中, 碳循環相關的功能基因有22 320個、氮循環相關的功能基因有6 154 個、磷循環相關的功能基因有2 003個、硫循環相關的功能基因有4 282個(表2)。統計6個站位的沉積物在功能大類(gene_category)層級的探針檢出數及信號強度(圖2, 3),發現與碳循環相關的探針數量最多、信號強度最強, 氮、硫和磷相關的探針數量較少、信號強度較弱。這表明, 在功能大類層級中, 與碳循環相關的功能基因最多, 且每個站位參與不同生物地化循環的功能基因數量變化趨勢基本相同。

表2 表層沉積物中功能基因的組成

Tab.2 Composition of functional genes in surface sediments

對不同站位檢測到的功能基因進行了特有和共有基因數量比較, 發現不同站位含有的特有基因數量和所占總數量的比例不一致。如圖4可知, 6個站位共有的基因數量一共42 722個, S4站位特有的基因數量最多, 具有386個, 占總量0.80%; S3站位特有的基因數量最少, 具有16個, 占總量的0.03%。

2.3 表層沉積物中參與碳、氮、磷、硫循環的關鍵微生物功能基因

碳循環相關的功能基因中, Geochip檢測到與總有機碳降解相關的功能基因最多, 有16 421個, 其次是碳固定功能基因5 422個和產甲烷功能基因477個。鑒于碳循環功能基因的復雜性, 本研究篩選了部分關鍵基因進行討論(圖5)。總有機碳降解中的乙酰木聚糖酯酶()基因的平均基因芯片熒光信號值在所有基因中最高,淀粉酶(amyA)和碳固定中的乙酰輔酶A ()基因、轉酮醇酶()基因較高。其中基因是3HP/4HB途徑中的關鍵功能基因;基因是芳香族氨基酸生物合成中心途徑的關鍵酶基因。甲烷氧化過程中的可溶性甲烷單加氧酶()基因的平均基因芯片熒光信號值從遠海到近海是逐漸上升的, 并在S6站位達到最大值。而對于鐵氧化還原蛋白基因酶()基因來說, 它的平均基因芯片熒光信號值在不同站位中無明顯變化。實驗選取6個站位中的最遠點S1站位和最近點S6站位, 比較分析碳循環功能基因的熒光信號值差異。結果顯示(圖6),基因、protease_aspartate_fungi、amyA、基因、基因、基因在S1和S6站位的熒光信號值差異性顯著(<0.05)。

Geochip檢測到與氮循環相關的功能基因, 從遠岸點S1向近岸點S6靠近時, 所有功能基因的平均基因芯片熒光信號值均呈現出由遠海向近海上升的趨勢(圖7)。即在河相區的近海點擁有更為豐富的氮循環微生物群落。厭氧氨氧化的聯氨合成酶()基因的熒光信號值在所有氮循環功能基因中相對較弱, 但其熒光信號值在S1和S6站位中差異性顯著(＜0.05)(圖8)。反硝化功能基因中, 編碼硝酸鹽還原酶()基因的熒光信號值最高, 其余依次是編一氧化氮還原酶()基因、編碼含銅亞硝酸還原酶()基因、編碼氧化亞氮還原酶()基因和編碼含細胞色素的亞硝酸鹽還原酶()基因, 且基因的熒光信號強度是氮循環所有功能基因中最高的。

圖2 功能大類層級各大類所包含探針的檢出數百分比柱狀圖

圖3 功能大類層級各大類所包含探針的信號強度柱狀圖

圖4 不同站位特有和共有功能基因數目分布花瓣圖

硫循環相關的功能基因中, Geochip檢測到所有功能基因的平均基因芯片熒光信號值均呈現由遠海向近海上升的趨勢(圖9), 說明較于海相區和混合區, 河相區擁有更為豐富的硫循環微生物群落。亞硫酸鹽還原酶中的S基因是硫循環功能基因中熒光信號強度最高的。硫氧化過程中,的熒光信號值最高,、、、依次之, 它們的平均基因芯片熒光信號值從遠海到近海均呈現出上升的趨勢。統計學分析發現(圖10), 除了基因, 其余功能基因的熒光信號值都在S1和S6站位中差異性顯著(＜0.05)。

磷循環相關的功能基因中, Geochip只檢測到三個基因種類, 分別是植酸水解中的植酸酶()基因、多磷酸鹽合成中的多聚磷酸鹽激酶()基因和多磷酸鹽降解中的多聚磷酸鹽水解酶()基因。如圖11可知, 除了基因的平均基因芯片熒光信號值在不同站位中并沒有表現出較大變化外,和基因的熒光信號值均呈現出由遠海向近海依次上升的趨勢, 其中基因的熒光信號值最高。且從圖12可知,和基因的熒光信號值在S1和S6站位中差異性顯著(＜0.05)。

2.4 表層沉積物微生物功能基因與環境因子的相關性

圖5 €碳循環功能基因的平均基因芯片熒光信號值

注:: 乙酰木聚糖酯酶基因; chitinase: 幾丁質酶; protease_aspartate_fungi: 天冬氨酸蛋白酶; protease_cysteine_fungi: 半胱氨酸蛋白酶; amyA: α-淀粉酶; Rubisco: 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶;: 轉酮醇酶基因;: 乙酰輔酶A基因;: 鐵氧化還原蛋白酶基因;: 可溶性甲烷單加氧酶基因;: 產甲烷菌甲基輔酶M還原酶α亞基基因;: 顆粒性甲烷單加氧酶基因

圖6 碳循環不同功能基因在不同站位間的差異性分析

注:: 乙酰木聚糖酯酶基因; chitinase: 幾丁質酶; protease_aspartate_fungi: 天冬氨酸蛋白酶; protease_cysteine_fungi: 半胱氨酸蛋白酶; amyA: α-淀粉酶; Rubisco: 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶;: 轉酮醇酶基因;: 乙酰輔酶A基因;: 鐵氧化還原蛋白酶基因;: 可溶性甲烷單加氧酶基因;: 產甲烷菌甲基輔酶M還原酶α亞基基因;: 顆粒性甲烷單加氧酶基因

3 討論

3.1 遼河口表層沉積物中微生物功能基因的組成

基因芯片的雜交信號強度與微生物群落基因組DNA和細胞總量均有良好的線性正相關性(Rhee, 2004)。因此, 雜交信號強度能在一定程度上直接反映環境微生物的豐富度, 還能夠有效地將生態系統過程與微生物群落的功能結構聯系起來。在本研究中, 共檢測到遼河口表層沉積物中各類型功能基因48 742個, 包括有機碳降解、碳固定、硫還原、氮固定、磷利用等, 表明在遼河口表層沉積物中含有復雜的微生物介導的生物地球化學循環過程。其中, 與碳循環相關的功能基因數目及熒光信號強度在所有站位檢測到的基因中為最高, 表明遼河口表層沉積物的微生物群落具有強大的碳代謝潛力。在對東海陸架區域的研究中, 王煜(2018)利用Geochip技術發現東海表層海水微生物群落的功能基因多樣性遠高于底層海水, 且碳降解中的功能基因對應的微生物群落也更加復雜。這說明海洋沉積物中碳代謝的潛力不可忽視, 其豐富的微生物信息值得深入挖掘。

圖7 氮循環功能基因的平均基因芯片熒光信號值

注:: 脲酶基因;: 厭氧氨氧化的聯氨合成酶基因;: N減少同化作用的基因;: 硝酸鹽還原酶基因;: 含銅亞硝酸還原酶基因; nirS: 含細胞色素cdI的亞硝酸鹽還原酶;: 一氧化氮還原酶基因;: 氧化亞氮還原酶基因;: 根瘤菌固氮作用的基因; nitrate_reductase: 硝酸還原酶;: 氨單加氧酶基因;: 土壤微生物固氮基因

圖8 氮循環不同功能基因在不同站位間的差異性分析

注:: 脲酶基因;: 厭氧氨氧化的聯氨合成酶基因;: N減少同化作用的基因;: 硝酸鹽還原酶基因;: 含銅亞硝酸還原酶基因; nirS: 含細胞色素cdI的亞硝酸鹽還原酶;: 一氧化氮還原酶基因;: 氧化亞氮還原酶基因;: 根瘤菌固氮作用的基因; nitrate_reductase: 硝酸還原酶;: 氨單加氧酶基因;: 土壤微生物固氮基因

3.2 遼河口表層沉積物中碳循環的微生物多樣性

遼河口沉積物中的固碳微生物在整個遼河生態系統碳循環中起著十分重要的作用, 不同途徑針對沉積物中CO2的利用能力不同。卡爾文循環是遼河口沉積物中自養生物固碳的主要途徑, 3HP/4HB循環則是一種存在于嚴格厭氧環境的微生物固碳途徑。共同點是, 它們不僅是遼河口生態系統執行初級生產過程的主要動力, 還在調控大氣中CO2濃度方面扮演重要角色。碳固定中的酶是被經常報道的關鍵酶之一(Alfreider, 2009)。本文針對遼河口區域檢測出的碳循環功能基因進行分析, 發現基因的平均基因芯片熒光信號值遠低于3HP/4HB途徑中關鍵功能基因的平均熒光信號值, 且后者的熒光信號值為最高。這為研究者們提供了一個新的思路, 可以對遼河口沉積物中微生物基因的多樣性展開研究, 由于此過程一般發生在古菌中, 所以可進一步分析遼河口沉積物中古菌參與碳循環的多樣性。

微生物介導的各類化學反應是地球生物化學循環的基礎, 這些生物化學之間的關聯性也預示著微生物之間存在的相互性。實驗發現遼河口沉積物中與有機碳降解有關的功能基因很多, 說明遼河口沉積物中活躍著大量參與有機碳降解的微生物, 這對揭示遼河口沉積物中有機碳的生產與消耗有一定的參考意義。為了進一步了解河口乃至近海有機碳(DOC)的行為特征, 研究者一般通過建立DOC與鹽度的關系, 發現DOC在近岸及河口區通常表現為凈消耗、凈生產或者保守混合的行為(吳凱, 2017)。鹽分對遼河口濕地土壤DOC濃度及CO2釋放具有顯著影響, 具體表現為, 鹽分升高降低了土壤CO2的釋放, 土壤CO2的釋放與DOC濃度顯著正相關(肖穎, 2016)。而在珠江口中、下游的中、髙鹽度區域會出現DOC的保守或凈添加行為。同樣地, 在密西西比河口、亞馬遜河口和特拉華河口等大河流影響的區域, 人們都發現了DOC凈生產的行為(Meador, 2014)。所以正確認識遼河口沉積物中有機碳的行為特征, 對陸地和海洋這兩個生態系統的碳循環都有著重要意義。

圖9 硫循環功能基因的平均基因芯片熒光信號值

注:,,,,: 硫氧化功能基因;,: 亞硫酸鹽還原酶基因;: 硫化物氧化的基因;: 硫循環中的其他基因;: DMSP(二甲基巰基丙酸內鹽)降解酶基因;: 硫化物-醌氧化還原酶基因

圖10 硫循環不同功能基因在不同站位間的差異性分析

注:: 乙酰木聚糖酯酶基因; chitinase: 幾丁質酶; protease_aspartate_fungi: 天冬氨酸蛋白酶; protease_cysteine_fungi: 半胱氨酸蛋白酶; amyA: α-淀粉酶, Rubisco: 核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶;: 轉酮醇酶基因;: 乙酰輔酶A基因;: 鐵氧化還原蛋白酶基因;: 可溶性甲烷單加氧酶基因;: 產甲烷菌甲基輔酶M還原酶α亞基基因;: 顆粒性甲烷單加氧酶基因

3.3 遼河口表層沉積物中氮循環的微生物多樣性

河口區域是氮元素生物地球化學循環最活躍、最復雜的地區, 而微生物是驅動氮素生物地球化學循環的重要牽引者。本研究中, 發現遼河口表層沉積物氮循環途徑中反硝化功能基因的平均熒光信號值較高, 且在反硝化功能基因中, 編碼硝酸鹽還原酶()基因的熒光信號值最高。這個檢測結果與明紅霞等(2020)發現基因豐度(1.63×108—1.13×109copies/g)最高的結果一致。說明遼河口表層沉積物中具有更為豐富的參與反硝化作用的微生物。反硝化微生物大部分為異養兼性厭氧細菌。目前來說, 樊景鳳團隊對遼河口沉積物中反硝化細菌進行了大量研究(樊景鳳等, 2011;李博超, 2017; Chen, 2020), 以基因作為標記分子, 得出遼河口沉積物中反硝化細菌主要為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)類細菌, 其中變形菌門類細菌占主導地位。

圖11 磷循環功能基因的平均基因芯片熒光信號值

注:: 植酸酶基因;: 多聚磷酸鹽水解酶基因;: 多聚磷酸鹽激酶基因

圖12 磷循環不同功能基因在不同站位間的差異性分析

注:: 植酸酶基因;: 多聚磷酸鹽水解酶基因;: 多聚磷酸鹽激酶基因

圖13 環境因子與功能大類(Gene_category)基礎相關性熱圖

3.4 遼河口表層沉積物中硫、磷循環的微生物多樣性

在硫氧化過程中, 本文檢測到、、、、功能基因對應的菌屬在門水平上都為變形桿菌, 其中以變形菌綱最為豐富。目前, 編碼關鍵酶的功能基因被廣泛應用于跟蹤硫循環相關的生物分子標記。定量分析顯示, 珠江流域中具有功能基因的SOB比具有和功能基因的SOB更豐富, 是硫氧化的主要貢獻者(Luo, 2018)。在遼河口沉積物中, 本文也檢測到硫氧化途徑的關鍵功能基因、和, 但其分布情況還待進一步揭示。磷是地球化學循環中的另一個重要元素。大量研究表明, 氮和磷是限制水體富營養化最重要的營養元素(張晉華等, 2014)。因此, 沉積物中的磷循環對上覆水體富營養化的發生具有重要的意義。磷循環還可以耦合碳、氮、硫和金屬元素循環(Burgin, 2011), 在遼河口表層沉積物積微生物地球化學循環中起著舉足輕重的作用。

圖14 各站位功能基因與環境因子的冗余度(RDA)分析

3.5 遼河口表層沉積物中功能基因與環境因子的關系

表3 BioEnv分析結果

Tab.3 Results of the BioEnv analysis

總之, 本研究利用微生物功能基因芯片技術檢測了遼河口表層沉積物微生物功能基因的組成, 分析了參與碳、氮、磷、硫循環微生物功能基因的多樣性和環境因子, 有助于了解環境變化對遼河口表層沉積物生態系統結構、功能產生的影響, 能為遼河口生態系統的保護和管理提供理論依據, 也為碳氮耦合、磷硫耦合以及其他生物介導的生物地球化學循環過程提供了重要依據, 對了解遼河口土壤微生物的代謝潛力和預測渤海區域受全球變化的影響有重要意義。

4 結論

在6個沉積物樣品中, 利用GeoChip 4.0檢測到各類型功能基因48 742個, 反映了9個微生物介導的關鍵生物過程。碳循環的功能基因數量在所有站位檢測到基因中為最高, 表明遼河口表層沉積物微生物群落具有強大的碳代謝潛力。其次是氮循環, 氮循環中反硝化功能基因的熒光信號值最高, 說明遼河口表層沉積物中具有更為豐富的參與反硝化作用的微生物。對于硫循環來說, 河相區檢測到的功能基因數量遠大于混合區和海相區的功能基因數量。較于海相區和混合區, 河相區擁有更為豐富的硫循環微生物群落, 硫循環中功能基因的熒光信號值最高。檢測到磷循環的功能基因數量最少, 只有三個基因種類, 以功能基因的熒光信號值最高。環境因子總磷與硝酸鹽是影響微生物功能基因多樣性分布格局的重要因素。

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ANALYSIS OF MICROBIAL FUNCTIONAL GENES INVOLVED IN MAJOR BIOGEOCHMICAL CYCLES IN SEDIMENTS OF LIAOHE RIVER ESTUARY

SONG Ji-Xue1, 2, MING Hong-Xia1, 2, SHI Ting-Ting1, 2, SU Jie1, 2, CHEN Quan-Rui1, 2, 3, JIN Yuan1, 2, FAN Jing-Feng1, 2

(1. National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China; 2. National Key Laboratory of Coastal Ecological Environment, Marine Environmental Protection, Dalian 116023, China; 3. School of Ocean and Earth Science, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Rich biodiversity in the Liaohe River estuary region plays a pivotal role in biogeochemical cycles and maintaining ecosystem functions. To understand and predict the functional metabolic potential of microorganisms in the estuary sediments and the impact of environmental changes, functional genes involved in common geochemical cycles and the key influencing factors were studied, for which functional gene chip (GeoChip 4.0) technology was applied to analyze the microbial functional gene diversity. In total, 48 742 functional genes of various types were detected in 6 sediment samples, 9 key biological processes mediated by microorganisms were revealed, among which carbon cycle related functional genes were dominated, followed by nitrogen cycle related, sulfur cycle related, and phosphorus cycle related functional genes. The number and fluorescence signal value of functional genes related to biological process at each station showed an upward trend from offshore to offshore. In other words, the microbial functional genes in river area were more abundant than those in marine and mixed areas. The genes involved in carbon fixation in carbon cycle have the greatest fluorescence signal values. The fluorescence signal value of denitrification function gene was the highest in nitrogen cycle. Total phosphorus and nitrate were important factors affecting the distribution pattern of microbial functional gene diversity. This study is helpful to understand the impact of environmental changes on structure and function of sediment ecosystem in Liaohe River estuary, and provides a scientific basis for studying the biogeochemical cycle mediated by microorganisms in surface sediments in Liaohe River estuary.

Liaohe River estuary; surface sediments; microorganism; genechips; functional genes

P736.21

10.11693/hyhz20201200341

* 國家重點研發計劃“全球變化及應對”專項項目, 2016YFA0601401號; 國家自然科學基金, 41676115號; 海洋赤潮災害立體監測技術與應用國家海洋局重點實驗室開放基金, MATHAB201815號。宋吉雪, 碩士, E-mail: 1602388949@qq.com

樊景鳳, 博士生導師, 研究員, E-mail: jffan@nmemc.org.cn

2020-12-25,

2021-04-25