土壤微生物区系结构和功能对夏威夷火山地区不同海拔降雨量梯度磷元素的循环和动态演变的影响开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

课题意义：我们通过宏基因组技术，利用geochip芯片和16s rna测序研究微生物区系、结构、功能和物种组成，在夏威夷地区不同海拔降雨量梯度之间，由于海拔的不同而带来的环境因素的异质性，研究和磷的代谢循环相关功能性基因的丰度情况，研究参与循环的微生物种类情况，揭示磷元素生物地球化学循环相关的过程和可能的影响因素，对指导应对全球变化具有十分重大的意义。

国内外研究概况：随着全球变化越来越受到人们的关注，研究和气候以及生物地球化学循环相关的实验手段也更加丰富，主要包括时间序列上的观察实验、空间梯度变化的观察实验、土壤置换、原位实验等。

本实验采用空间海拔梯度变化的观察实验，研究由于海拔带来的环境因素的差异对微生物群落的影响。

2. 研究的基本内容和问题

研究目标：磷元素是构成生物体的重要元素，磷的循环关乎到每一个生物，从土壤中有机磷、无机磷到生物体内的磷，其合成代谢循环非常重要。

磷元素的生物地球化学循环联系着地球和生物界，微生物在生物地球化学循环中扮演非常重要的角色，微生物的种类、结构和功能对磷的生物地球化学循环影响最大。

我们通过最新的第五代基因芯片技术geochip 5.0和新一代illumina测序技术，测定样品中和磷相关的功能基因的丰度情况，构建微生物区系，分析其结构和功能，鉴定其物种组成，通过不同海拔的生物地球化学分析，研究环境因素和土壤微生物群落之间的相关性，尤其是和磷相关的功能基因的变化情况。

3. 研究的方法与方案

研究方法：基因芯片，也叫做微探针阵列，是一种针对功能基因和系统发育标记而设计的高通量的dna测序技术，它具有高通量、针对性强、定量性、排除pcr扩增和随机采样带来的误差等优点（zhou et al.,2012a）。

基因芯片的基本原理是用已知的核苷酸序列作为探针，和环境样品中的核苷酸序列进行杂交，通过信号检测仪器对样品进行分析。

geochip是主流的两种芯片技术之一，另外一种基于系统发育的芯片phylochip，已经受到高通量测序技术的冲击。

4. 研究创新点

4.研究的特色和创新之处关于磷的循环的研究大都关注单个循环基因的研究，包括合成代谢的途径等，也包括土壤中的磷的存在形式的研究。

但从整个微生物的群体角度，研究微生物的区系、结构和功能，来研究磷的生物地球化学循环比较少，尤其以现代测序和芯片技术为主的研究，比较前沿，结合现代计算机技术和编程，利用数学计算工具处理复杂而又数据量大的基因信息，有可能发现新的理论，开创新的分析技术。

geochip和miseq是现代宏基因组学最为常见和有效的手段，通过对微生物功能基因的测定和16s rna的测序，分析其群落结构和物种组成，揭示微生物群体构成和功能，有利于深入了解p生物地球化学循环中，微生物参与的本质。

5. 研究计划与进展

（1）第一阶段的研究计划和进展：按照最初的实验设计，在夏威夷火山地区布置样点，设置不同的处理。

（2）第二阶段的研究计划和进展：按照计划进行采样，详细的样方设置参照中期汇报中的描述。

（3）第三阶段的研究计划和进展：通过借助实验室的设备geochip 5.0和土壤环境参数测定仪器测定样品，同时将部分样品送测序公司测序，测序结果得到后，整理分析，获得初步实验数据。