玻利维亚高原盐碱与淡水湖泊中蓝藻垫及其相关微生物组的多样性研究与生态功能解析

这篇综述通过整合形态学分析、16S rRNA基因高通量测序（ASV）和系统发育重建，首次全面解析了玻利维亚高原极端环境（高海拔、强UV辐射、低降水）下蓝藻垫（Cyanobacterial mats）及其微生物组的多样性。研究鉴定出42个蓝藻属（含16个潜在新谱系），揭示了以Nostocaceae为主的7种形态型，并发现关联微生物组（Alphaproteobacteria/Bacteroidia等）主导的光合-化能异养代谢、硫呼吸及固氮功能，为极端环境微生物适应机制和生物技术应用（如生物修复）提供了新见解。

　　

1 引言

玻利维亚高原（Altiplano）作为地球极端环境的典型代表，具备高海拔（3,656-4,430 m）、强紫外线辐射、盐碱（pH>0.5%）与淡水（pH<0.5%）湖泊并存等特征。这类"多极端"（polyextreme）环境成为研究微生物适应性的天然实验室。蓝藻（Cyanobacteria）作为先锋物种，通过形成微生物垫（microbial mats）参与碳氮循环，但其多样性及生态功能仍待深入探索。

2 材料与方法

研究团队在2023年8月对高原8个湖泊（4盐碱/4淡水）进行采样，结合形态学（LEICA显微成像）和分子生物学分析。DNA提取采用DNeasy PowerSoil Pro Kit，通过Illumina NextSeq 2000平台对16S rRNA基因V3-V4区测序（引物338F/806R），数据存入ENA（PRJEB88730）。采用QIIME2和dada2进行ASV分析，SILVA 138-NR99数据库分类，并通过最大似然法（GTR+G+I模型）构建系统发育树。功能预测使用FAPROTAX软件。

3 结果

3.1 形态多样性

显微观察发现7种形态型，以Nostocaceae为主（占57%序列）。例如Salar de Uyuni盐湖样本中，短密型（GBC221）与松散型（GBC222）Nostoc形态差异显著；淡水样本GBC224则发现类似Microcoleus的丝状形态（5-6 μm宽）。

3.2 分子多样性

16S rRNA分析揭示：

• 高多样性：4,113个ASV中310个属蓝菌门，134个归为蓝藻纲（Cyanophyceae），涵盖42属/9目
• 新谱系：30个ASV形成16个独立分支（与已知属相似性<95%），暗示潜在新分类单元
• 优势类群：Nostoc（18 ASV）、Nodosilinea（9 ASV）、Coleofasciculus（8 ASV）
• 环境适应：Mojavia/Nostoc复合体在盐/淡水环境均占优（90,781 reads），体现广盐性

3.3 微生物组功能

关联微生物组以Alphaproteobacteria（28%）、Bacteroidia（22%）、Gammaproteobacteria（18%）为主，核心功能包括：

• 能量代谢：光合作用（蓝藻主导）、硫呼吸（Campylobacteria）、发酵（Clostridia）
• 元素循环：固氮（Nostoc/Rivularia）、硝酸盐还原（Pseudomonas）
• 生物技术潜力：Shewanella参与重金属修复，Weissella soli产酶

4 讨论

研究首次证实：

1. 生态可塑性：Nostoc在盐/淡水环境均能形成优势群落，其微生物组组成更受环境（如盐度）而非宿主驱动
2. 分类学突破：发现Timaviella（原仅存于洞穴）、Thermoleptolyngbya（地热栖息）等类群，拓展已知分布范围
3. 应用前景：蓝藻垫微生物组的光合-固氮协同机制，可为荒漠土壤改良和生物燃料开发提供模板

该研究为极端环境微生物资源库的挖掘奠定了框架，未来需通过分离培养（如潜在新属Mojavia sp.）和宏基因组学进一步验证功能基因。