極端酸性環境形成過程中微生物群落結構與功能演變

《極端酸性環境形成過程中微生物群落結構與功能演變》是依託中山大學，由束文聖擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：極端酸性環境形成過程中微生物群落結構與功能演變
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：束文聖
• 依託單位：中山大學

中文摘要

酸性礦山廢水（AMD）是極端生境生物學研究的重要模式系統。本項目通過野外調查與室內模擬的方法重現AMD的形成過程；通過對極端酸性環境微生物宏基因組、宏轉錄組與代謝網路的整合研究，從分子到群落水平揭示微生物功能多樣性、適應機制及其與極端環境因子的相互作用；通過對AMD關鍵酸化過程的比較宏基因組、比較宏轉錄組和群體遺傳研究，闡明微生物在極端環境的群落結構與功能演變及適應性進化機制，深刻揭示極端酸性環境的生命形式與過程。

結題摘要

本項目在國家自然科學基金（No. 40930212）的資助下，緊密圍繞極端酸性環境形成過程中微生物群落結構與功能演變這一核心科學問題開展了深入系統的研究。首先，我們利用高通量測序以及功能晶片技術對局域尺度下的酸性尾礦以及區域尺度下的AMD微生物群落進行了物種以及功能基因多樣性的空間分布模式分析，結合全球尺度下AMD及相關生境的微生物群落數據，揭示了在酸化過程中微生物群落多樣性的空間分布規律主要受環境因子（尤其是pH）的影響，而地理隔離的作用不明顯。其次，我們利用比較宏基因組和比較宏轉錄組的手段，結合現代生物信息學分析技術，對廣東幾個典型的AMD樣品進行了深入研究。研究結果表明：基於群落的功能及其活性來研究系統的生態功能具有明顯優勢，可以深入揭示不同物種在群落中獨特的生態學角色以及相互競爭和協作的機制。再次，我們利用上述海量的數據對AMD微生物群落的裝配模式進行了分析，結果表明，物種數據與環境因子的相關性低於群落宏基因組和宏轉錄組，進一步說明利用宏基因組和宏轉錄組數據研究生態系統多樣性和功能更為合適。緊接著，我們結合多種生境的基因組數據對AMD群落的適應性進化進行了深入研究。結果表明：極端生境的群落進化速率顯著高於普通生境，而且極端微生物能通過高突變速率、基因交流和鬆弛的選擇壓力獲得更高的基因組可塑性和代謝適應潛力，進一步揭示了極端微生物群落的適應性進化機制。最後，我們通過比較基因組學分析和突變累積實驗，對生物體細胞內DNA的組成和結構如何影響特定鹼基的自發突變進行了深入研究。結果表明：真核生物細胞中核小體結構可以抑制C的水解脫氨，從而降低C到T的突變。染色質的基本單元——核小體幾乎完全抑制水解脫氨來源的C到T 突變。本研究為揭示染色質結構對遺傳核心事件，即DNA突變的調節機制提供實驗證據，對理解真核生物基因組結構及生物進化具有重要的理論價值。 在本項目實施的四年中，課題組取得了顯著成績，在相關領域國際主流雜誌正式發表SCI論文10篇，包括Science、The ISME Journal、Environmental Microbiology、Applied and Environmental Microbiology等頂尖雜誌，另獲得授權專利5項。這些成果對今後利用環境微生物治理酸性礦山廢水和進行尾礦的生態恢復提供理論依據。