馬佔山學科組研究揭示溫泉細菌和古菌在群落進化生態機制的差異

2020-12-06 中國生物技術網

溫泉是遍布世界的天然水環境，在溫泉中生活著大量的微生物，其中包括不少嗜熱菌或極端嗜熱菌。不同種類的溫泉具有不同的理化性質，不同理化環境中微生物的組成也各不相同。因此溫泉是研究和檢驗微生物群落生態理論非常理想的自然生態系統。在溫泉微生物菌群中除細菌外，還包括很多古細菌（簡稱古菌）。古菌作為生物三界之一（另外兩界為：細菌和真核生物），起源比細菌更為古老，其通常存在於深海、高溫等極端環境中。雖然，在溫泉中古菌與細菌相互共存，但二者的分布及其對環境的適應性等方面存在諸多差異。由於受到實驗技術限制，在宏基因技術發明之前，學界對溫泉細菌和古菌的研究難以深入，特別是對細菌和古菌可能存在的不同進化適應機制知之甚少。近年來宏基因測序技術的應用，對於溫泉環境菌群研究進展迅速，但對一些關鍵的機制性研究仍然比較薄弱。

為此，學科組博士生李連偉在過去三年對於溫泉微生物菌群開展了一系列研究。最新的兩項研究成果則應用了生態學兩項重要理論和技術（宏群落理論和生態網絡分析技術）綜合方法比較了古菌和細菌在進化適應性方面的重要差異。其中絕大多數差異系首次發現。通過宏群落理論中物種排序假設和中性理論分析的結果顯示，溫泉微生物菌群的形成中隨機因素起重要作用，其中與細菌群落相比，古菌群落的形成受到隨機因素的影響更強。此外，溫泉中古菌受pH的影響比溫度更為敏感，而細菌對溫度和pH的敏感度相似。該結果解釋了古菌對極端酸性環境和高溫環境的適應性。

基於複雜網絡分析的結果顯示，古菌更適應極端酸性溫泉環境，而細菌更適應鹼性溫泉環境。在溫泉微生物網絡中，古菌和細菌會形成各自的「子集團」，而這種「子集團」的形成主要受pH的影響。第二，細菌中有超過50%的競爭關係（負相關關係），而古菌中僅有不足1%的競爭關係（負相關關係）。這可能是由古菌的極端生存環境以及相較於細菌更為漫長的進化時間造成的，因此，互利共贏的「合作」關係可能是群落適應極端生存環境的一個進化方向 。

李連偉先前發表的兩項研究（Li & Ma 2019a，2019b）涉及溫泉菌群空間分布異質性，以及生物地理學, 並估計出了溫泉中細菌和古菌的潛在生物多樣性。此外，就學期間共發表高質量SCI論文12篇，累計影響因子超過60。其中第一作者(包括共同第一)發表6篇，一作論文的引用次數達50次。 　　

溫泉微生物菌群相關的四篇論文（包括最新發表的兩篇）：

Li LW, Ma ZS (2020) Species sorting and neutral theory analyses reveal archaeal and bacterial communities are assembled differently in hot springs. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. doi: 10.3389/fbioe.2020.00464

Li LW, Li WD, Zou Q, Ma ZS (2020) Network analysis of the hot spring microbiome sketches possible niche differentiations among ecological guilds. Ecological Modelling (Accepted) 　　

Li LW, Ma ZS (2019a) Global microbiome diversity scaling in hot springs with DAR (diversity-area relationship) profiles. Frontiers in Microbiology. DOI: 10.3389/fmicb.2019.00118. 　　

Li LW, Ma ZS (2019b) Comparative Power Law Analysis for the Spatial Heterogeneity Scaling of the Hot-Spring and Human Microbiomes. Molecular Ecology, 28: 2932-2943.

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