黄渤海聚球藻对有机碳的转化过程及输出效应
文献类型：学位论文
| 作者 | 王挺 |
| 答辩日期 | 2024-05 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 秦松 ; 李佳霖 |
| 关键词 | 聚球藻 生物泵 微生物碳泵 碳氮循环 中国边缘海 |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 学位专业 | 海洋生物学 |
| 英文摘要 | 聚球藻是一类普遍存在于全球海洋中的微微型浮游生物，贡献约全球海洋净初级产量的16.7%。目前，已对海洋中由聚球藻介导的海洋碳汇过程有了一定的认识，明确了聚球藻对包括生物泵和微生物碳泵在内途径的参与。然而，即将实施的负碳实践要求我们进一步加强对由聚球藻介导的海洋储碳过程及蓝碳产生机制的研究，夯实聚球藻对海洋碳汇贡献的原理论证，并深入研究环境变化对近海生态系统中聚球藻碳输出效应的影响。为了阐明在以黄渤海为代表的中国边缘海中，聚球藻对有机碳的转化及输出等碳循环过程的参与及其在环境变化下的碳氮耦合机制，本论文结合扩增子、宏基因组和宏转录组测序等多组学分子生态学研究手段以及机器学习等前沿模型构建算法，对黄渤海聚球藻开展了原位采样调查和实验室模拟培养研究，主要研究结论如下： （1）成功构建了中国边缘海中包括颗粒有机碳（Particulate organic carbon，POC）和三种荧光溶解性有机碳（Fluorescent dissolved organic carbon，FDOC）组分C1、C2、C3在内的有机碳异质性对各种生物和非生物因素响应的人工神经网络（Artificial neural networks，ANNs）模型，并揭示了聚球藻对有机碳异质性的关键影响作用。所构建ANNs的皮尔逊相关系数（Pearson correlation coefficient，PCC）值最高可达0.87，模型性能优良可以实现对预测变量的拟合。对预测变量相对重要性的分析发现，聚球藻的丰度在本研究所构建的ANNs中是重要的生物预测变量，这可能预示其对边缘海生物泵和微生物碳泵途径的重要参与。 （2）通过调查黄河口沿海水域中以聚集（Aggregating，AG）为生活方式的聚球藻，揭示了具有充足压载矿物的水域中，微微型浮游植物对POC输出的潜在贡献，并深入探讨了不同生活方式聚球藻的分布、谱系特征以及与异养细菌的相互作用。结果表明，黄河河口近海海水中的聚球藻能形成大于3 μm的聚集体，占比14.7%至85.4%。相关性分析揭示了AG聚球藻与POC含量之间的显著关联。随机森林回归分析及基于单个细胞碳含量的估算，则进一步证明其在该海域对POC形式的碳输出具有较大潜在贡献。对rpoC1基因的高通量测序表明，AG和游离状态（Free-living，FL）聚球藻谱系的比例存在差异，特别是S5.1分支I在AG样本中的相对丰度显著高于FL样本（p < 0.05）。构建的聚球藻和异养细菌共现网络显示，聚集体具有“小世界”特性和更高的稳定性。通过功能预测和线性拟合分析发现，这可能是因为聚球藻和共存细菌之间存在更密切的基于碳-氮元素互换的相互作用。 （3）通过光照和黑暗两个阶段的连续培养揭示了来自渤海不同海域的富集聚球藻及其共生细菌之间的相互作用关系，探讨了聚球藻-细菌共培养体系中以聚球藻衍生有机碳为基础的碳流特征。研究结果表明，聚球藻宏基因组组装基因组（Metagenome-assembled genomes，MAGs）中存在prc、prlC、guaA、sppA、dacB和pepN等基因，在黑暗中有异养营养的潜力。当光合作用无法满足其能量需求时，可以将有机营养进行转化，在获得能量的同时生成较为稳定的有机碳。不同类型的聚球藻在异养代谢及合成包括色氨酸、生育酚和异戊二烯类化合物等抗逆物质的能力上存在差异，这些差异决定了其在黑暗中的生存能力。相关能力较强的聚球藻能在黑暗中可以通过异养代谢获得能量并将有机营养物质转化为较为稳定的有机碳；而能力较弱的则无法维持其在黑暗中的生存，从而被逐渐分解，分解后的有机营养物被其他异养细菌转化为较为稳定的有机碳。对主要细菌MAGs功能注释的结果显示，不同的聚球藻类群的共存菌群功能也存在差异，主要体现在异化硝酸还原途径、硫代硫酸盐水解、有机碳利用、和包括磷酸盐、L-氨基酸及磷酸盐等物质的转运途径中，因此与聚球藻之间产生了不同的相互作用，并在二者的协同作用下对有机碳的转化产生影响。 （4）通过渤海海域聚球藻原位调查，并结合生理、基因组和转录组分析进行了室内氮模拟实验，研究了聚球藻在氮源浓度和类型变化下的驱动模式、分子适应和与碳循环相关的生态效应。原位调查的结果表明，聚球藻群落的多样性和谱系结构受到无机氮的强烈影响。尤其是硝态氮在促进聚球藻群落的多样性增加方面发挥了显著作用（p < 0.01）。在谱系组成上，受硝酸盐等环境因子的驱动，亚簇S5.1的II、VIII和IX分支，以及亚簇S5.2和亚簇S5.3在硝酸盐和亚硝酸盐浓度较高的中央和海湾区域相对丰度较高，而聚球藻S5.1的I、III、WPC1和VI则在与黄海北部水体交换良好的海峡地区有较高比例。对富集聚球藻的梯度氮模拟实验进一步证明了无机氮变化对聚球藻谱系的多样性和生态位分化的关键驱动作用。模拟实验的结果发现，在目前原位所能达到的无机氮浓度范围内（0.1~10 μmol L–1），增加无机氮的浓度将会提高聚球藻的多样性和碳固定能力。然而，进一步增加无机氮浓度至100 μmol L–1将会减少多样性并抑制固碳相关过程。基于生理、基因组和宏转录组的分析进一步揭示了氮对聚球藻群落的影响与氮代谢和富氮色素蛋白合成中相关基因的差异表达有关，而这最终影响了聚球藻的光合作用和碳固定过程。 综上所述，本研究揭示了聚球藻在近海碳氮生物地球化学循环中的重要作用，探究了环境条件改变对近海生态系统中由聚球藻介导的元素循环的影响效应，研究结果有助于理解微微型浮游生物在碳转化和输出过程中的驱动机制并可作为负碳实践的理论基础。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 159 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/38085]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王挺. 黄渤海聚球藻对有机碳的转化过程及输出效应[D]. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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