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摘要极地冰盖和山地冰川覆盖了地球上约11％的陆地面积，80％的生物圈处于＜5℃的长久寒冷环境中。深海热液喷口、酸性矿排水、热泉等极端环境中的微生物一般都被限制在比较狭窄的环境条件下，其群落结构和生理特征高度同质化并且稳定，一旦离开它们已经高度适应了的环境就无法生存。冰雪极端环境则不同于上述几种环境而有其独自的特点，如其中包含的微生物数量十分丰富、具有很高的多样性并且可以在非冰雪环境中培养。作为第三极和气候变化最为敏感的青藏高原冰川成为了研究微生物与气候环境之间关系最理想的场所，其低温的特性使得冰雪极端环境成为生物资源和生物信息的天然储存库。青藏高原冰川中微生物数量与气候环境之间的关系表现为大陆型马兰冰芯微生物数量与温度呈负相关，海洋-大陆型格拉丹东冰芯微生物数量与温度和粉尘呈正相关。对青藏高原冰雪可培养细菌的生理特征及其与气候环境之间关系的认识则相对缺乏。已有的研究初步揭示了冰雪可培养细菌具有能产生多种色素，可利用多种碳源和较强的低温活性等特征。然而这些数据并不全面，没有通过把冰雪细菌的生理特征与分离自非寒冷环境中相近菌株的生理特征进行对比来系统论证冰雪细菌的不同之处，更缺乏冰雪细菌的全基因组信息。本论文选取青藏高原冰雪可培养细菌为对象，从其群落组成、生长温度、色素、碳源利用以及基因组特征等方面研究了冰雪可培养细菌生理生态特征及其与气候环境之间的关系。本论文的主要研究结果为总结为以下四个方面:<br>　　一、冰雪可培养细菌的群落结构和数量的分布不是随机的，而是在大气环流、气候环境和局部物理化学性质等因子的影响下以一定规律存在的。从青藏高原东绒布、蒙达岗日、扎当和玉珠峰冰川中通过恢复培养一共分离到Actinobacteri，Bacteroidetes，Firmicutes和Proteobacteria这4个门类约300株细菌。其中Actinobacteri，Firmicutes和Proteobacteria类群几乎在所有冰川中都有分布，而Bacteroidetes类群在青藏高原北部冰川出现的频率要高，表明Bacteroidetes类群对气候环境的变化相对更为敏感，可作为青藏高原气候变化的指示类群。Arthrobacter，Bacillus，Pseudomonas和Sphingomonas广泛分布于不同的冰川中，表明冰川高寒、寡营养、强紫外线等共有特征使得冰川常见的可培养细菌具有相似性。<br>　　二、青藏高原冰雪可培养细菌以耐冷菌为主，具有广温性，多数菌株最适生长温度＜20℃，具有广温性特征并且嗜冷菌和嗜温菌类群少见。通过对比冰雪菌株和非寒冷环境中相似菌株的生长温度特征，我们推论冰芯细菌对青藏高原冰雪寒冷环境的适应过程，是由起源于温暖气候带的常温菌通过拓展其生长温度下限，降低最适生长温度，由常温菌转变为耐冷菌的过程。青藏高原冰雪可培养细菌可产生多种色素。通过高效液相色谱分析发现分离自扎当冰川、绒布冰川和玉珠峰冰川菌落产色素的比例分别为61％，85％和89％。主要色素成分为α，β-carotene、19'-butanoyloxy-fucoxanthin、fucoxanthin、diatoxanthin、peridinin和zea/lutein。其中α-carotene和diatoxanthin最为常见。玉珠峰冰芯中分离的产色素的菌落比例随深度的增加而增加，同时青藏高原冰川冰芯中产色素菌落的比例高于表层雪中产色素菌落的比例，表明冰川上微生物群落处于动态变化中。<br>　　三、冰川细菌比非寒冷环境中相近的菌株能利用更多种类的代谢底物并增加了细胞膜中短链脂饱和肪酸的含量。如分离自青藏高原冰川的Massilia属菌株倾向于利用麦芽糖、葡萄糖、阿拉伯糖和甘露糖，而非冰川环境分离的菌株能利用以上4种单碳源的比例要低。冰川细菌脂肪酸的低温适应性特征主要表现为增加C10∶02-OH，C10∶03-OH，C12∶0和C14∶0等短链饱和脂肪酸的含量。在青藏高原高寒、寡营养和强辐射环境的影响下，产生丰富的色素，利用多种碳源和增加细胞膜短链饱和脂肪酸含量是冰雪细菌对青藏高原气候环境的响应也是其适应性机制。<br>　　四、冰川细菌在适应冰川环境的过程中，其基因组也发生了不同层次的变化。分离自冰芯的菌株M J9-5与分离自土壤的菌株MN12-7基因组比较显示，虽然两株菌有着高达99％的16S rRNA基因相似度，但是一些与环境适应相关的基因却有着数量上和核苷酸序列组成的差别。菌株M J9-5基因组中冷休克基因Aeur1581和菌株MN12-7的Asav2255相似度为97％，而对比实验结果显示，这个差异导致菌株MJ9-5降低了最适生长温度而增强了低温适应性，如在25℃条件下菌株MN12-7的生长要好于MJ9-5，当温度降低到10℃时，菌株MJ9-5的生长则要好于MN12-7。在糖酵解和甘露糖代谢途径中，菌株MJ9-5含有编码葡糖激酶和甘露糖苷酶的基因，菌株MN12-7则不含有这两个基因。葡糖激酶和甘露糖苷酶基因的得失导致了菌株MJ9-5和MN12-7在15℃条件下对葡萄糖和甘露糖利用的差异性。而这些基因的获得与菌株M J9-5基因组中所独有的3个CRISPRs序列密切相关。在北极冰川中CRISPRs介导的病毒与宿主相互作用比北极土壤中更强，而基于其丰富多样性和极高的感染率，病毒被认为可能是冰雪细菌适应性进化的重要推动者，我们的研究结果为这一观点找到了新的证据。