基于Mothur和ArcGIS的氨氧化細(xì)菌多樣性和空間變異分析.pdf

1、氨氧化細(xì)菌（Ammonia-oxidizing bacteria，AOB）是一類重要的功能微生物，它通過氨單加氧酶（ammonia monooxygenase，AMO）的催化作用將氨氧化成羥胺，是硝化作用過程的起始和限速步驟。由于AOB生長緩慢和難培養(yǎng)等因素的限制，近年來大部分AOB的研究依賴于分子技術(shù)。隨著測序技術(shù)自動(dòng)化程度的提高和成本的降低，大量的AOB基因序列被測序。然而，隨著Genbank核酸序列數(shù)量的爆發(fā)式增加，如何有效的處理

2、和分析Genbank中的海量數(shù)據(jù)，并結(jié)合環(huán)境因素進(jìn)行綜合分析，已經(jīng)成為微生物生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。
　　 本文采用Mothur和ArcGIS軟件分別對陸地環(huán)境中中國和全球范圍AOB基因的豐富度、多樣性、群落結(jié)構(gòu)和空間變異進(jìn)行了分析。中國地區(qū)和全球范圍分別以行政區(qū)劃和經(jīng)緯度5°×5°來劃分得到16個(gè)和37個(gè)文庫，從不同的生物學(xué)尺度上探討AOB和環(huán)境因素（地溫、經(jīng)緯度）的關(guān)系，試圖闡明AOB的空間變異規(guī)律。
　　 通過對數(shù)據(jù)結(jié)果

3、的分析，可以得到以下結(jié)論:
　　 第一，以amoA基因?yàn)檠芯繉ο?，中國地區(qū)范圍內(nèi)AOB基因OTUs類型比較豐富，共有246個(gè)唯一種。其中，共有87個(gè)OTUs類型只含有一個(gè)克隆序列，最優(yōu)勢OTU有242個(gè)克隆序列，登錄號為EU624814，與可培養(yǎng)菌株Nitrosospira sp.Nsp12(AY123823，AY298716)相似性最高，達(dá)99％。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)以核苷酸序列分析得到的OTUs比氨基酸序列OTUs要多，說明某些不同

4、的核酸序列并沒有翻譯成不同的氨基酸序列，他們之間存在同義突變。通過Mothur軟件的可視化功能分析得到相鄰位置之間AOB細(xì)菌之間有一定的相似性。Libshuff驗(yàn)證16個(gè)文庫差異性，結(jié)果表明大部分文庫之間存在顯著性性差異，部分文庫地理位置較遠(yuǎn)也表現(xiàn)出文庫相似性，說明除了地域差異，還有其他因素對AOB的多樣性起作用。
　　 第二，通過ArcGIS的地統(tǒng)計(jì)分析，表明中國地區(qū)AOB15個(gè)文庫豐富度估計(jì)值chao1變化區(qū)間為47.1～8

5、.0。在中國南部和中部地區(qū)AOB豐富度較高，中國北部和中國西部地區(qū)豐富度較低。AOB多樣性shannon指數(shù)變化區(qū)間為2.967～1.408。從中國近50年來的平均地溫的等值線中，我們發(fā)現(xiàn)溫度較高地區(qū)(＞10℃)，表現(xiàn)出較高的豐富度和多樣性;而地溫在5℃以下地區(qū)（除湖北外），其豐富度、多樣性都相對較低，且沿海某些城市也表現(xiàn)出較低的多樣性，說明AOB的多樣性、豐富度不僅僅受地域、地溫的變化影響，而且是氣溫、pH等其他因素綜合作用的結(jié)果。其

6、空間分布表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性。
　　 第三，采用Mothur軟件分析了全球范圍內(nèi)氨氧化細(xì)菌amoA和16S rRNA基因多樣性。amoA基因（label=0.05）分析得到OTUs為477，優(yōu)勢0TU為EU624820，與可培養(yǎng)菌株Nitrosospira sp.Nsp12(AY123823，AY298716)相似性最高，達(dá)99％。16S rRNA基因(label=0.03)得到159個(gè)種類，優(yōu)勢OTU為Z69162，與可培養(yǎng)菌株

7、Nitrosospirasp.NspⅢ7(AY123809)相似性最高，達(dá)99％?？梢暬治霰砻髟谟行┪膸烊郝浣M成和結(jié)構(gòu)相似上，如D(37°N，107°E)和E(37°N，112°E)。但是在群落組成相似下，其群落結(jié)構(gòu)并不一定，如文庫X(22°N，117°E)和N(32°N，137°E)。說明地理位置對AOB的群落結(jié)構(gòu)和組成有一定的影響。本文還采用Libshuff分析37個(gè)文庫，結(jié)果表明大部分文庫之間存在顯著性性差異。
　　 第

8、四，對全球的37個(gè)文庫分析表明，AOB多樣性指數(shù)shannon在地理空間分布上沿經(jīng)度存在一定的梯度變化，總體上從138°E到80°W，逐漸降低，又從80°W到123°W升高，局部地區(qū)突變等說明AOB的多樣性影響是有多種因素的綜合結(jié)果。采用Kriging空間插值方法繪制了shannon指數(shù)等值線，表明shannon指數(shù)從最高值3.464到最低值0.371進(jìn)行梯度變化。其空間分布表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性，某一種程度上說明了鹽度和人類生活中施肥、富