南大西洋深海表层沉积物细菌多样性与生物地理学研究

1、南大西洋深海表层沉积物细菌多样性和生物地理学研究研究背景 微生物群落的生物地理格局有两个传统的解释，即环境异质性和历史因素。 环境条件长期以来被认为对微生物地理学有强大的影响力。几项研究已经表明空间距离（历史因素）会影响微生物的多样性。 在海洋生境比如深海，表层沉积物中的微生物可以随着洋流而扩散。由较大的底栖生物的活动以及近底洋流共同影响沉积物 - 水界面交换的生物灌溉作用导致了颗粒的分散因此微生物得以扩散。 影响微生物扩散的障碍可能是物理的（地形）或其他条件（温度，pH值或静水压力）深海微生物地理模型依赖于微生物的扩散能力。一个可能的限制微生物扩散的因素是鲸脊。 我们调查了南大西洋东部三大盆

2、地中的细菌群落来研究深海表层沉积物中细菌群落的多样性和生物地理学。 在南大西洋东部，海角盆地与安哥拉和几内亚盆地之间通过鲸脊形成一个屏障阻挡了水下大约3000米处向北和向南的水流。 海角盆地是受来自南极的绕极深层水控制，安哥拉和几内亚盆地的最深处都充满了从北极起源来的北大西洋深层水。 值得注意的是，鲸脊已被证明用于一些囊虾总目的甲壳类扩散的屏障，但不知道该物理屏障是否也影响微生物的传播。材料与方法16S rRNA基因克隆文库的构建： 表层沉积物取样（0-2cm) 用 FastDNA SPIN Kit for Soil提取总DNA PCR扩增(引物对GM3/GM4) 用PCR纯化试剂盒纯化 连接

3、转化（引物M13 F和M13 R） 用TOPO TA克隆试剂盒进行测序系统发育和序列分析 序列导入ARB软件包，在ARB软件包中对数据采用最大似然算法构建系统发育树。 统计工具 - LIBSHUFF应用于遗传距离模型，以确定库组成的差异是否是由于偶然或生物效应，并且被Monte Carlo 排列评估和进一步校正多重比较。 统计工具SONS被用在16S rRNA基因全长序列来进行丰富度的估计。末端限制性片段长度多态性 末端限制性片段长度多态性分析包括三到五个表层沉积物样品（ 0-2厘米），分别在每个区域的几个核心，如海角，安哥拉和几内亚I-III （图1 ，表2） 。统计分析 非度量多维标度（N

4、MDS）和相似性（ANOSIM）的分析，运用到 PAST程序中。 简单和部分的曼特尔试验（Mantel tests）是用来确定遗传，空间和环境的距离模型之间的显著性和相关系数。 地理距离和环境差异性（温度，盐度，pH值，Eh，TOC，叶绿素a和颗粒大小，表1）都被用来解释遗传差异性。以确定基因与地理距离的线性模型之间的关系强度。结果与讨论南大西洋沉积物中细菌生物量和丰富度 16S rRNA基因文库呈高度多样性与多达20个不同门类的海角盆地和17个门的安哥拉和几内亚盆地（图1 ） 。 前面描述的深海和浅层沉积物中也发现了大量的多样性，这可能和存在一个微弱与平衡的竞争有关 。 在98 的序列同源性

5、基础上结合总丰富度估计（表2）和稀疏度曲线（补充图S1）得出，海角，安哥拉和几内亚盆地表层沉积物中包含了相等的细菌丰度在0.05的显着著性水平上。 分析预测表明，南大西洋沉积物中细菌的丰度比南极沉积物中的低但比北极沉积物中的高。16S核糖体RNA基因的细菌多样性深海沉积物细菌群落主要是一些变形菌，分别占海角，安哥拉和几内亚盆地全部序列的64 ， 58和63 。 39种系型，均为已知种，这些菌主要是嗜冷微生物 以Gammaproteobacteria为例 77种系型，很大一部分来自培养品种，这些群体中包含 有一部分细菌的 16S rRNA基因序列只来源于其他深海 或永久寒冷的海洋生境 -，-和D

6、eltaproteobacteria变形菌纲占库中所有序列的为1823。其他种类的序列丰度超过5（图2） 细菌多样性比较 目前盆地的种系型主要属于Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria和绿屈绕菌纲（Chloroflexi）。 Chloroflexi 的一个主要群体被限制在安哥拉和几内亚盆地沉积物中。 -LIBSHUFF分析揭示了安哥拉和几内亚盆地以及海角和几内亚盆地（使用0.0012的最小P值）之间没有显著差异。 因此，常见的种系型主宰这些盆地的群落。 安哥拉和海角盆地的细菌群落呈显著不同（-LIBSHUFF检验，P=0.008）其中黄杆菌的T-RFLP

7、图谱明显不同（图5b） 这些差异与海角盆地的叶绿素a含量，以及沉积物颗粒大小不同有关，表明环境因子似乎影响南大西洋东部深海沉积物的细菌群落。但是，需要在这个分析中采取空间参数考虑，以增强我们关于该群落变化的环境或空间效应的解释。生物地理学：环境和历史因素 在南大西洋东部约3000米深处的鲸脊把海角盆地与安哥拉和几内亚盆地分隔开，并导致了这些盆地的深层水团不同。 根据16S rRNA基因库和T-RFLP种系型分析表明，微生物的扩散可能不会被鲸脊或不同水团影响。 根据南大西洋和太平洋，南极和北极海洋沉积物（补充表S1）中常见的种系型表明，一些微生物有效地分散在一个巨大的距离，因此是世界性分布的。 为了获得更多关于空间结构的信息量，我们分析了遗传多样性和地理距离之间的相对关系。 基于距离衰减关系的16S rRNA基因和TRFs表明南大西洋和其他所有的站点都非常低（0.0030.07）（表3） 这表明是由于庞大群体的高扩散率和低灭绝率造成的。 但是对16S rRNA基因序列的曼特尔（Mantel）测试显示，环境和地理都（r =0.008，P=0.006和r=0.024，P