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摘要湿地处于水陆交汇地带，储存的碳约占地球土壤碳库总量的30％（约25000亿吨）。高寒湿地具有高纬度和高海拔的典型特征，被认为是天然的“储碳库”及应对气候变暖的“缓冲器”，高寒湿地在稳定全球气候、温室气体减缓等方面发挥着主要作用。由于全球变暖，这些湿地中的碳正以一种强大的温室气体-甲烷-释放到大气中。土壤中好氧甲烷氧化菌是甲烷重要的生物汇。据估计，约60％的甲烷在排放到大气之前就被活跃在表层土壤中的好氧甲烷氧化菌所消耗。然而，高寒湿地生态系统中甲烷氧化菌群落的分布特征和驱动机制的研究更是匮乏。而在评估湿地生态系统中的甲烷排放造成的温室气体增加时，甲烷氧化菌随温度变化的响应往往由于技术方法的限制被广泛忽视。基于此，本论文主要针对高寒湿地，联合13C稳定性同位素标记微宇宙培养实验以及宏转录组学等分子生物学技术，利用群落构建模型、生态网络关系、结构方程建模等生物信息学方法，揭示甲烷氧化菌这一重要微生物的分布及驱动机制，并进一步探究高寒湿地甲烷氧化菌的生态适应机制。本论文的具体内容和主要结论如下:<br>　　1.以海北站高寒湿地三种不同水分条件的湿地（高寒草甸、沼泽湿地、高寒湿地）为研究对象，利用甲烷氧过程的关键基因pmoA测序技术，联合室内甲烷氧化潜势测定，荧光实时定量PCR等主要技术手段，并利用结构方程建模，生态网络关系和群落构建零模型方法解析不同水分环境下甲烷氧化菌的群落构建机制。研究结果表明，甲烷氧化菌群落有明显的生境依赖性，甲烷氧化潜势在三种生境中差异显著（P＜0.001），沼泽湿地土壤的甲烷氧化菌多样性显著低于高寒草甸和高寒湿地土壤，甲烷氧化菌多样性与土壤中溶解性有机碳、pH、总碳，和总氮显著相关，甲烷氧化菌群落结构与土壤中碳氮比、总碳、土壤水分和总氮显著相关。沿着水分梯度，甲烷氧化菌的生态位显著不同，随机性过程主导甲烷氧化菌群落构建过程，其对群落构建过程的相对贡献随着生境土壤水分的增加而增加。生态网络关系表明高寒草甸生境中甲烷氧化菌网络关系更加稳健，子网络和理化性状关联分析暗示了甲烷氧化菌alpha多样性维持了模块性和复杂度。Ⅰ型甲烷氧化菌（主要是Methylobacter、USCγ和RPC-1）是网络中核心菌群，可能在种间合作关系中扮演重要角色。<br>　　2.青藏高原东南部由于受到雅鲁藏布江河谷涌入，造就了藏东南独特的自然景观，使得藏东南发育成拥有最多数量的冰川，大量冰雪融水发育了众多的河流和湖泊。这些湖泊湿地内部微生物群落对全球变化极为敏感，而这些地方的细菌和功能微生物（甲烷氧化菌）的分布特征和驱动机制的研究匮乏。基于此，我们在区域尺度上沿着藏东南河流、湖泊湿地采集多种湿地类型样品，利用16S rRNA和pmoA基因测序技术，研究细菌和甲烷氧化菌的分布特征和群落构建机制。结果发现沉积物中细菌多样性高于水体，主要受多种氮素的影响，而水中细菌多样性和群落结构更易受气候扰动，生境类型对细菌群落结构差异的影响大于地貌类型。水中细菌共存网络由更多的核心物种相连且更加复杂，并且某些生态模块在水和沉积物中由不同的环境因子所预测。通过实时荧光定量甲烷氧化过程关键基因pmoA，发现沉积物甲烷氧化菌数量高于水体，表明甲烷氧化菌主要来源于沉积物，其群落组成因地貌类型而显著不同，Ⅰ型甲烷氧化菌Methylobacter，USCγ和Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis是优势种，具有广泛的生态位。随机性和确定性共同决定了甲烷氧化菌的群落构建机制，沉积物中甲烷氧化菌生态网络呈典型的模块化特征，同一属的甲烷氧化菌更易于形成一个模块。<br>　　3.选取代表性高寒湿地，研究甲烷氧化菌对不同温度的适应机制。利用13CH4标记的稳定性同位素探针(DNA-SIP)技术结合pmoA基因、16S rRNA基因在不同温度（10℃，15℃，20℃和25℃）下培养土壤。结果发现，温度升高促进甲烷氧化过程。虽然Ⅱ型甲烷氧化菌（Methylocystis，Methylosinus/Methylocystis）的数量在20℃和25℃得到刺激（2.76％-17.14％），Ⅰ型甲烷氧化菌（Methyloabcter）主导甲烷氧化过程，其绝对丰度随着温度的增加而降低。在两种类型的湿地土壤不同温度处理下，我们识别了不同的甲烷氧化菌的温度敏感指示菌，例如三江平原土壤中Methylobacter，Methylocystis和Methylosarcina属的甲烷氧化菌和海北湿地土壤中的Methylobacter和Methylosarcina属的甲烷氧化菌。生态网络关系分析表明，温度条件的改变使主导菌群Methylobacter与Methylocystis和Methylosarcina两属中的某些物种形成种间互助协作关系，而Methylobacter与Methylocystis形成种间竞争关系，Methylobacter与Methylosinus/Methylocystis形成种间互助关系。偏最小二乘路径建模分析发现，温度对甲烷氧化潜势的影响主要是直接效应，此外温度也可以通过间接改变甲烷氧化菌的群落特征而改变甲烷氧化潜势。研究结果有助于我们更好地理解全球变化下温度对高寒湿地甲烷氧化菌的影响。进一步利用宏转录组学测序技术，对高寒湿地生态系统中两种不同类型土壤中的甲烷氧化菌进行研究。结果表明，Ⅰ型甲烷氧化菌Methylobacter在相对较低的温度下活跃且占优势，且随温度的升高均呈下降趋势，表明该类甲烷氧化菌在多年冻土中占据优势地位。该研究首次直接揭示了活性甲烷氧化菌Methylobacter随温度变化的响应机制。主导菌群Methylobacter-like lineages编码CspA、DnaK、DnaJ、GroEL-GroES、GrpE和ropH基因表达。本研究揭示了高寒湿地土壤主导甲烷氧化菌对温度变化的响应，拓展了我们对高寒生态系统甲烷氧化菌的认识。