南大西洋深海表层沉积物细菌多样性和生物地理学研究

1、南大西洋深海表层沉积物的细菌多样性和生物地理学有两种传统解释，即环境异质性和历史因素。长期以来，环境条件被认为对微生物地理学有很大的影响。一些研究表明，空间距离(历史因素)影响微生物的多样性。在深海等海洋栖息地，表层沉积物中的微生物会随着洋流扩散。生物灌溉受大型底栖生物和近底洋流活动的影响，导致颗粒分散，从而导致微生物扩散。影响微生物扩散的障碍可能是物理(地形)或其他条件(温度、酸碱度或静水压力)，深海微生物地理模型取决于微生物扩散的能力。限制微生物传播的一个可能因素是鲸脊。我们调查了南大西洋东部三大盆地的细菌群落，以研究深海表层沉积物中细菌群落的多样性和生物地理学。在南大西洋的东部，由开普盆

2、地与安哥拉和几内亚盆地之间的鲸脊形成的屏障阻挡了水下约3000米处的南北水流。开普盆地受来自南极的环极深水控制，安哥拉和几内亚盆地的最深处充满了来自北极的北大西洋深水。值得注意的是，鲸脊已被证明在一些有袋动物目中用作甲壳类动物传播的屏障，但不知道这种物理屏障是否也影响微生物的传播。材料和方法，16S rRNA基因克隆文库的构建：表面沉积物取样(0-2厘米)，用土壤快速脱氧核糖核酸自旋试剂盒提取总脱氧核糖核酸，聚合酶链反应扩增(引物对GM3/GM4)，用聚合酶链反应纯化试剂盒(引物M13 F和M13 R)纯化连接转化，用TOPO TA克隆试剂盒测序，系统发育分析和序列分析，并将序列引入ARB软件

3、包。将统计工具LIBSHUFF应用于遗传距离模型，以确定文库组成的差异是由于偶然的还是生物的影响，并通过蒙特卡罗排列进行评估在16S rRNA基因的全长序列中使用统计工具SONS来估计丰度。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至五个表层沉积物样品(0-2厘米)，位于每个区域的几个核心，如佛得角、安哥拉和几内亚-(图1，表2)。统计分析、非度量多维标度(NMDS)和相似性(方差分析)被应用于过去程序。简单和部分Mantel检验用于确定遗传、空间和环境距离模型之间的显著性和相关系数。地理距离和环境差异(温度、盐度、酸碱度、总有机碳、叶绿素a和颗粒大小，表1)都用来解释遗传差

4、异。确定基因之间关系的强度和地理距离的线性模型。结果和讨论：南大西洋沉积物中的细菌生物量和丰富度以及16S rRNA基因文库高度多样，有多达20个不同类别的开普盆地以及安哥拉和几内亚盆地的17个门(图1)。在上述深海和浅海沉积物中发现了大量的多样性，这可能与弱而平衡的竞争有关。在序列同源性为98的基础上，结合总丰度估计值(表2)和稀疏度曲线(补充图S1)，得出以下结论：开普、安哥拉和几内亚盆地的表层沉积物含有相同的细菌丰度，显著水平为0.05。分析和预测表明，南大西洋沉积物中细菌的丰度低于南极沉积物，但高于北极沉积物。16S核糖体RNA基因的细菌多样性，深海沉积物中的细菌群落主要是一些变形菌，

5、分别占佛得角、安哥拉和几内亚盆地所有序列的64、58和63。有39个菌株，都是已知的物种。这些细菌主要是嗜冷微生物。以-氨基丁酸菌为例，共有77个菌株，大部分来自栽培品种。在这些群体中，有些细菌的16S rRNA基因序列仅来自其他深海或永久寒冷的海洋生境。-、-和变形菌变形菌占文库中所有序列的1823。其他物种的序列丰度超过5(图2)。与细菌多样性相比，该盆地目前的物种类型主要属于-变形菌、-变形菌和氯氟菌。氯氟烃主要集中在安哥拉和几内亚盆地的沉积物中。-利舒夫分析显示，安哥拉和几内亚盆地与开普和几内亚盆地之间没有显著差异(使用的最小P值为0.0012)。因此，常见的物种类型在这些盆地的群落中

6、占主导地位。安哥拉和开普盆地的细菌群落有显著差异(利舒夫检验，P=0.008)，其中黄杆菌的RFLP图谱有显著差异(图5b)。这些差异与开普盆地的叶绿素a含量和不同的沉积物粒度有关，表明环境因素似乎影响了南大西洋东部深海沉积物中的细菌群落。然而，有必要在此分析中考虑空间参数，以增强我们对社区变化的环境或空间影响的解释。生物地理学：环境和历史因素。南大西洋东部约3000米深处的鲸脊将开普盆地与安哥拉和几内亚盆地分开，并在这些盆地中形成不同的深水区。根据16S rRNA基因库和RFLP分析，微生物的扩散可能不受鲸脊或不同水团的影响。根据南大西洋和太平洋、南极洋和北冰洋(补充表S1)海洋沉积物中常见

7、的物种类型，一些微生物被有效地分散在很远的地方，因此它们分布在全世界。为了获得更多的空间结构信息，我们分析了遗传多样性与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表明南大西洋和所有其他站点都很低(0.0030.07)(表3)，这表明这是由于大种群的高扩散率和低灭绝率造成的。16S rRNA基因序列的曼特尔试验表明，环境和地理(r=0.008，P=0.006和r=0.024，P=0.001)对南大西洋的细菌多样性有影响。0-1200公里处的RFLP分析表明，环境和地理都有影响(环境r=0.636，p0.001，地理r=0.651，P0.001)(表2)(图6b)。然而，在中间距离(12003500公里)，环境因素的影响比任何地理因素都大(r=0.278，P=0.009)。虽然有些类群在深海沉积物中具有较高的扩散速率，但通过对T-RFLP和16S rRNA的分析表明，深海微生物的扩散存在障碍。我们的研究表明，环境和地理的影响有利于大规模，如土壤微生物群落(F