昆明动物所研究揭示温泉细菌和古菌在群落进化生态机制的差异

昆明动物研究所 2020-05-22

  温泉是遍布世界的天然水环境,在温泉中生活着大量的微生物,其中包括不少嗜热菌或极端嗜热菌。不同种类的温泉具有不同的理化性质,不同理化环境中微生物的组成也各不相同。因此温泉是研究和检验微生物群落生态理论非常理想的自然生态系统。在温泉微生物菌群中除细菌外,还包括很多古细菌(简称古菌)。古菌作为生物三界之一(另外两界为:细菌和真核生物),起源比细菌更为古老,其通常存在于深海、高温等极端环境中。虽然,在温泉中古菌与细菌相互共存,但二者的分布及其对环境的适应性等方面存在诸多差异。由于受到实验技术限制,在宏基因技术发明之前,学界对温泉细菌和古菌的研究难以深入,特别是对细菌和古菌可能存在的不同进化适应机制知之甚少。近年来宏基因测序技术的应用,对于温泉环境菌群研究进展迅速,但对一些关键的机制性研究仍然比较薄弱。 

   为此,中国科学院昆明动物研究所马占山学科组博士生李连伟在过去三年对温泉微生物菌群开展了一系列研究。最新的两项研究成果则应用了生态学两项重要理论和技术(宏群落理论和生态网络分析技术)综合方法比较了古菌和细菌在进化适应性方面的重要差异。其中绝大多数差异系首次发现。通过宏群落理论中物种排序假设和中性理论分析的结果显示,在温泉微生物菌群的形成中随机因素起重要作用,其中与细菌群落相比,古菌群落的形成受到随机因素的影响更强。此外,温泉中古菌受pH的影响比温度更为敏感,细菌对温度和pH的敏感度相似。该结果解释了古菌对极端酸性环境和高温环境的适应性。 

   基于复杂网络分析的结果显示,古菌更适应极端酸性温泉环境,而细菌更适应碱性温泉环境。在温泉微生物网络中,古菌和细菌会形成各自的子集团,而这种子集团的形成主要受pH的影响。此外,细菌中有超过50%的竞争关系(负相关关系),而古菌中仅有不足1%的竞争关系(负相关关系)。这可能是由古菌的极端生存环境以及相较于细菌更为漫长的进化时间造成的,因此,互利共赢的合作关系可能是群落适应极端生存环境的一个进化方向  

  该研究成果以分别以Species sorting and neutral theory analyses reveal archaeal and bacterial communities are assembled differently in hot springs和Network analysis of the hot spring microbiome sketches possible niche differentiations among ecological guilds为题,发表在Frontiers in Bioengineering and BiotechnologyEcological Modelling上。

    文章链接1:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2020.00464/full

    文章链接2:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304380020302180