中國湖泊微生物組研究*

吳慶龍 江和龍

中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 南京 210008

中國湖泊微生物組研究*

吳慶龍 江和龍

中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 南京 210008

我國湖泊數(shù)量大、分布廣、類型多，被認(rèn)為是世界上湖泊生態(tài)類型最為豐富的國家之一。多樣化的湖泊環(huán)境孕育了豐富的微生物多樣性和資源，但迄今人們對其結(jié)構(gòu)和功能尚知之甚少。通過大規(guī)模的湖泊微生物組分析和比較基因組研究，可揭示我國湖泊微生物多樣性的分布規(guī)律、形成機(jī)理和維持機(jī)制，闡明典型湖泊微生物功能基因的組成，探索極端環(huán)境條件下湖泊微生物的適應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)新的微生物功能和代謝途徑，并通過比較不同環(huán)境條件下驅(qū)動(dòng)地球元素循環(huán)的微生物功能基因組、環(huán)境轉(zhuǎn)錄組成和蛋白組，揭示微生物驅(qū)動(dòng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵元素循環(huán)的過程、機(jī)制及其環(huán)境調(diào)控機(jī)理。這些研究結(jié)果的獲得，將不僅有助于深入了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能，促進(jìn)地球科學(xué)與生物學(xué)間的交叉與融合，推動(dòng)學(xué)科持續(xù)發(fā)展，而且將為我國湖泊微生物資源的保護(hù)與可持續(xù)利用及湖泊生態(tài)環(huán)境的治理與保護(hù)提供科技支撐。

湖泊，生態(tài)環(huán)境，微生物，微生物組，科學(xué)計(jì)劃

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.03.008

湖泊是重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，是由湖盆、湖水及水中包含的各類物質(zhì)所組成的自然綜合體。湖泊生態(tài)系統(tǒng)是指以湖泊為一個(gè)地理單元所組成的生態(tài)系統(tǒng)，在自然界的各種內(nèi)外營力長期相互作用下形成，并處于不斷演變過程之中。作為地球表層系統(tǒng)的一個(gè)單元，湖泊在地球的各個(gè)區(qū)域均有分布，因此其在地貌、水文物理、氣候氣象、化學(xué)組成、生物群落組成等多方面，顯示出豐富多彩的類型，孕育出高度多樣化的湖泊生態(tài)系統(tǒng)類型[1]。湖泊具有明顯的邊界，是一個(gè)相對獨(dú)立和完整的生態(tài)系統(tǒng)，主要包括環(huán)境和生物兩個(gè)大的亞系統(tǒng)，且彼此不可分割、相互有機(jī)聯(lián)系和相互作用。

作為地球表層系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，湖泊又具有其開放性的一面，是陸地水圈的重要組成部分，參與自然界的水分循環(huán)和物質(zhì)循環(huán)。因此，湖泊不僅具有供水、調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候、漁業(yè)、旅游等功能，還在維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡和保育生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用，具有很高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，是支撐經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要資源之一[1]。

湖泊是地球表層系統(tǒng)中各個(gè)圈層相互作用的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，在流域尺度上的各類物質(zhì)最終匯集在湖泊中，并發(fā)生各類物理、化學(xué)和生物學(xué)作用，這些作用（或者過程）不僅對湖泊自身的環(huán)境具有顯著作用，而且對區(qū)域的環(huán)境生態(tài)產(chǎn)生重要影響。微生物是驅(qū)動(dòng)湖泊等水體地球元素循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，微生物組研究對揭示其結(jié)構(gòu)與功能至關(guān)重要，并有望取得重要科技突破。

1 湖泊微生物組研究意義重大

1.1 微生物是驅(qū)動(dòng)湖泊等水體地球元素循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵

微生物是湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是水體生態(tài)系統(tǒng)絕大部分元素物質(zhì)循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者，是深入了解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵[2]，對微生物介導(dǎo)元素循環(huán)過程的研究也促進(jìn)了許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

例如，通過對微生物鐵還原過程的研究，發(fā)現(xiàn)了微生物可以通過胞外電子傳遞實(shí)現(xiàn)固態(tài)金屬氧化物的還原[3]，進(jìn)而表明微生物可以通過胞外電子傳遞至外置的固態(tài)電極，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了微生物燃料電池技術(shù)[4]。鐵還原微生物能產(chǎn)生具有金屬導(dǎo)體性質(zhì)的絲狀納米線[5]，這些絲狀納米可以傳遞電子，通過與沉積物中無機(jī)金屬物質(zhì)和腐殖質(zhì)結(jié)合組成電子長距離傳遞通道[6-8]。沉積物中微生物于是就利用這些介質(zhì)有序組成電子傳遞網(wǎng)絡(luò)，將自身新陳代謝產(chǎn)生的電子進(jìn)行長距離電子傳遞形成生物電流。沉積物中的微生物可通過這種生物電流，將空間分隔的氧化和還原反應(yīng)過程同步協(xié)同進(jìn)行，從而遠(yuǎn)距離地高效參與沉積物中的元素循環(huán)和污染物分解轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而為利用微生物的胞外電子傳遞以系統(tǒng)調(diào)控水體元素的生物地球化學(xué)過程和污染物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)[9]。

另外，還有研究表明互營微生物還可通過鞭毛進(jìn)行分子信號傳遞[10]，互營微生物之間還可能發(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移，這在地球微生物的進(jìn)化過程中可能起了極為重要的作用。

這些發(fā)現(xiàn)豐富了關(guān)于微生物在湖泊等水體地球元素循環(huán)中關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)作用的認(rèn)識，推動(dòng)了地球科學(xué)與生物學(xué)之間的交叉與融合，促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，發(fā)展了基于微生物的污染物削減和強(qiáng)化降解技術(shù)。

1.2 微生物組研究對揭示湖泊等水體結(jié)構(gòu)與功能至關(guān)重要，并有望取得重要科技突破

盡管近年來的水域環(huán)境微生物研究取得了不少重要發(fā)現(xiàn)，但由于研究方法和手段缺乏，湖泊中的微生物長期以來被作為“黑箱”看待，總體上對湖泊微生物多樣性、結(jié)構(gòu)及其功能的了解極其有限，直到 21 世紀(jì)初，科學(xué)家才基本認(rèn)定湖泊中的微生物有其獨(dú)特的區(qū)系和組成[11]。但迄今，據(jù)最保守估計(jì)，95% 以上的湖泊微生物還不能在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，其生理生化、遺傳代謝、生態(tài)功能尚屬未知[12]。例如，在 21 世紀(jì)初就發(fā)現(xiàn)的氨氧化古菌類群廣泛地分布于湖泊、河流等沉積物中，迄今卻僅獲得了幾株培養(yǎng)菌種[13]。另外，在實(shí)驗(yàn)室條件下分離獲得的微生物與湖泊原位微生物的組成相去甚遠(yuǎn)。由于絕大多數(shù)的湖泊微生物不能夠被分離和培養(yǎng)，因此如何通過新技術(shù)的運(yùn)用，揭示其結(jié)構(gòu)與功能，成為了湖泊微生物學(xué)研究的關(guān)鍵。

微生物組學(xué)技術(shù)是在不培養(yǎng)微生物的條件下研究環(huán)境中微生物結(jié)構(gòu)與功能的重要手段，微生物組是指一個(gè)特定環(huán)境中的微生物及其全部遺傳信息的總和，對一個(gè)特定環(huán)境中的微生物的所有遺傳信息（基因）進(jìn)行測序分析，不僅可以了解微生物群落結(jié)構(gòu)，還可以預(yù)測微生物功能基因組成和代謝潛力，并有助于發(fā)現(xiàn)新的微生物基因和代謝途徑，促進(jìn)對環(huán)境中物質(zhì)轉(zhuǎn)換與循環(huán)的深刻認(rèn)識[14]。2004 年，Venter 等人[15]通過微生物組研究，發(fā)現(xiàn)在 Sargasso 海域中存在的新基因數(shù)目超過當(dāng)時(shí)國際基因數(shù)據(jù)庫中基因數(shù)的總和，其后該研究組利用微生物組研究，在海洋等系統(tǒng)中取得了一系列的重要發(fā)現(xiàn)。

近 10 年來高通量測序技術(shù)的不斷發(fā)展和測序成本的持續(xù)下降，也為利用微生物組學(xué)技術(shù)研究湖泊微生物的結(jié)構(gòu)與功能提供了巨大支撐。例如，在我國西藏地區(qū)的湖泊微生物多樣性調(diào)查中，基于原核微生物的 16S rRNA 基因測序獲得的細(xì)菌多樣性極其豐富，但其中 30% 左右的序列不能在數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)的分類地位，其功能更是無從得知[16]。目前世界范圍內(nèi)的湖泊微生物宏基因組學(xué)研究極少，僅在南極地區(qū)的一些低溫鹽湖中開展了相關(guān)研究，在嗜冷及嗜鹽古菌的生物地理學(xué)、微生物物種的同域分化機(jī)制、低溫高鹽環(huán)境條件下的微生物參與元素（碳、氮、硫）代謝的機(jī)理方面獲得了一些重要進(jìn)展[17-19]。

總體上來說，目前對湖泊微生物組的了解極其有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于海洋微生物組、人體微生物組研究，對涉及到的湖泊微生物新物種及新代謝途徑只是湖泊微生物可利用資源的冰山一角，對于微生物驅(qū)動(dòng)湖泊地球元素生物化學(xué)循環(huán)的認(rèn)識十分有限。顯然，揭示湖泊微生物組及其在湖泊地球元素循環(huán)中的作用奧秘，將是湖泊科學(xué)在很長一段時(shí)間內(nèi)面臨的巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也是有望取得科學(xué)突破的重要領(lǐng)域之一。

2 中國湖泊微生物組研究現(xiàn)狀與對策

相對于陸地、海洋等生態(tài)系統(tǒng)，湖泊是一個(gè)邊界條件相對明確的生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，不同湖泊之間由于地理隔離而具有相對的環(huán)境特異性。我國湖泊數(shù)量眾多（圖 1），其中面積大于 1.0 km2的自然湖泊 2 693 個(gè)，分布在 28 個(gè)省級行政區(qū)，總面積達(dá) 81 414.6 km2，約占國土總面積的 0.9%[20]。

我國湖泊在形態(tài)、分布區(qū)域、環(huán)境異質(zhì)性、化學(xué)組成、污染程度、生物群落結(jié)構(gòu)等方面具有巨大的多樣性。例如，鹽度分布從 0.1% 到約 40%；pH 分布從 2 到 13；作為湖泊水體初級生產(chǎn)力重要指標(biāo)的葉綠素 a 的濃度分布從近乎 0 到幾千 μg/L；湖泊的海拔分布從我國的東海之濱到青藏高原海拔 6 000 m 左右的冰川遺跡（圖 1）。因此，中國被認(rèn)為是世界范圍內(nèi)湖泊類型最復(fù)雜和最多樣化的國家[20]。這些極高的湖泊環(huán)境異質(zhì)性極有可能對微生物的進(jìn)化和分化產(chǎn)生影響，形成高度多樣化的微生物組成和功能，其中的許多功能極有可能是新的或者未知的，因此開展中國湖泊微生物組研究具有鮮明的地域特色，有望取得重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和突破。

圖1 中國湖泊及湖區(qū)分布圖

2.1 科學(xué)目標(biāo)

中國湖泊微生物組研究的總體科學(xué)目標(biāo)是全面闡明我國湖泊微生物多樣性的分布規(guī)律、形成機(jī)理和維持機(jī)制，了解我國湖泊微生物功能基因的分布特征，揭示特殊環(huán)境下（高鹽、低溫、強(qiáng)輻射、極端污染等）湖泊微生物的適應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)一批新的微生物功能和代謝新途徑，并通過比較不同環(huán)境條件下湖泊碳、氮、磷等元素循環(huán)特征和基因組、轉(zhuǎn)錄組及蛋白組數(shù)據(jù)，結(jié)合湖泊環(huán)境特征，揭示湖泊環(huán)境因子變化對微生物驅(qū)動(dòng)湖泊碳、氮、磷等元素循環(huán)的影響及其機(jī)理。

此外，人口的快速增長、人類活動(dòng)的增強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)面臨水質(zhì)污染、生態(tài)退化，水體黑臭現(xiàn)象頻發(fā)等，已嚴(yán)重制約了我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。湖泊污染治理和退化湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、恢復(fù)與保護(hù)成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要議題。微生物是污染物質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化的主要推動(dòng)者，因此基于湖泊微生物組研究，必須在深入了解湖泊微生物組結(jié)構(gòu)與功能及其對湖泊污染的響應(yīng)與反饋機(jī)制的基礎(chǔ)上，從微生物的角度出發(fā)，探索新的湖泊水質(zhì)和生態(tài)改善技術(shù)，這將成為中國湖泊微生物組研究的另外一個(gè)重要科學(xué)目標(biāo)。

2.2 前沿科學(xué)問題及未來主要研究內(nèi)容建議

2.2.1 中國湖泊微生物多樣性分布規(guī)律及其形成機(jī)制

根據(jù)我國湖泊分布、成因、水環(huán)境、資源賦存和水文特征，結(jié)合西高東低的大地貌特征和南濕北干的氣候條件，重點(diǎn)關(guān)注我國五大湖區(qū)（圖 1）的湖泊微生物多樣性及其分布規(guī)律。重點(diǎn)運(yùn)用高通量測序和組學(xué)技術(shù)，調(diào)查研究典型湖泊微生物的多樣性、群落結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律。重點(diǎn)分析環(huán)境過濾機(jī)制與隨機(jī)性過程在湖泊微生物群落構(gòu)建過程中的相對作用，揭示我國湖泊微生物多樣性的形成與維持機(jī)制。

在揭示湖泊微生物多樣性分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，依據(jù)湖泊微生物結(jié)構(gòu)組成差異和環(huán)境因子及其存在的梯度，運(yùn)用微生物宏基因組學(xué)等技術(shù)開展典型湖泊微生物的功能基因組成和微生物功能多樣性研究，分析沿環(huán)境梯度的微生物組差異，尤其是了解在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的核心微生物組以及沿著環(huán)境因子梯度而變化的變異微生物組，并重點(diǎn)分析這些功能基因組成變化與環(huán)境因子變化之間的內(nèi)在關(guān)系。

2.2.2 微生物適應(yīng)極端湖泊環(huán)境的機(jī)制與新代謝途徑

我國的部分湖泊，尤其是青藏高原的湖泊，其環(huán)境條件極端，例如極端高鹽、低溫、低 pH、強(qiáng)輻射、極端污染等，這些生境中的微生物具有獨(dú)特的環(huán)境適應(yīng)和生長代謝機(jī)制，蘊(yùn)含著探索微生物代謝多樣性發(fā)生和演化的線索。

借助微生物組學(xué)技術(shù)，有望深入了解特殊湖泊環(huán)境中微生物群落形成及其與環(huán)境互作的機(jī)制，揭示關(guān)鍵功能微生物（或微生物群落）特殊能量代謝以及驅(qū)動(dòng)有機(jī)物合成與碳、氮、硫元素循環(huán)的分子機(jī)制，探索微生物適應(yīng)極端湖泊環(huán)境條件的生理生態(tài)與遺傳學(xué)機(jī)理。并在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)新的微生物功能基因或代謝途徑，促進(jìn)湖泊微生物資源的開發(fā)利用。

2.2.3 微生物驅(qū)動(dòng)湖泊主要元素循環(huán)的過程、機(jī)制及其環(huán)境調(diào)控機(jī)理

湖泊是地球表層系統(tǒng)碳、氮等物質(zhì)循環(huán)的主要場所，微生物是驅(qū)動(dòng)湖泊碳、氮等元素循環(huán)的關(guān)鍵，通過對我國湖泊微生物功能基因組成與分布特征的研究，分析與碳、氮等元素代謝有關(guān)的功能基因的分布、豐度及其與環(huán)境因子變化之間的關(guān)系。借助基因芯片、基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和生態(tài)模擬等技術(shù)，闡明微生物介導(dǎo)的湖泊中碳、氮等元素的生物地球化學(xué)過程及其耦合機(jī)制、生態(tài)效應(yīng)。揭示典型湖泊等生境微生物群落形成及其與環(huán)境互作的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)湖泊碳、氮等元素轉(zhuǎn)化與循環(huán)的微生物代謝新機(jī)制，深入了解微生物驅(qū)動(dòng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵元素循環(huán)的過程、機(jī)制及其環(huán)境調(diào)控機(jī)理。

2.2.4 極端污染水體的微生物代謝機(jī)制與水質(zhì)改善技術(shù)

隨著湖泊污染加劇和富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重，湖泊等水體及其沉積物中富集了大量的有機(jī)及氮、硫物質(zhì)，在微生物分解作用下極易造成環(huán)境缺氧，隨之生成大量金屬硫化物和含硫氨基酸等致黑、致臭前驅(qū)物，促使水體和沉積物變黑發(fā)臭，進(jìn)而導(dǎo)致水體“黑臭現(xiàn)象”，這成為我國面臨的重大水環(huán)境問題。

微生物是驅(qū)動(dòng)水體黑臭現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵，通過微生物組研究，將有助于揭示黑臭水體與沉積物中微生物代謝網(wǎng)絡(luò)及黑臭物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物途徑，闡明強(qiáng)化胞外電子傳遞條件下黑臭水體與沉積物中微生物代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征，發(fā)展基于微生物群落代謝途徑調(diào)控的黑臭水體與沉積物的生物高效修復(fù)技術(shù)。

3 結(jié)語

最早的國際微生物組研究是人類微生物組計(jì)劃，2005 年在法國由中、美、法、英、德等國的科學(xué)家召開了第一次協(xié)調(diào)會(huì)，此后的人類微生物組計(jì)劃在世界發(fā)達(dá)國家和中國相繼開展，競爭日趨激烈。2010 年，美國啟動(dòng)了地球微生物計(jì)劃，旨在通過收集全球不同生境的微生物樣品，在研究方法統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，開展微生物全基因組測序，了解微生物結(jié)構(gòu)與功能，揭示微生物與地球環(huán)境協(xié)同演化的機(jī)制。2016 年 5 月，美國白宮宣布啟動(dòng)美國的微生物組研究計(jì)劃，并把這一計(jì)劃提升到與當(dāng)年阿波羅登月計(jì)劃同等重要的層次。目前在國際上，各類微生物組研究計(jì)劃陸續(xù)推出，各國都希望盡早獲得相關(guān)的基因信息和資源，搶占先機(jī)，因此競爭日趨激烈。顯而易見，在這樣的背景下，結(jié)合我國的湖泊地域特色和環(huán)境特點(diǎn)開展我國的湖泊微生物組研究，不僅重要，而且正當(dāng)其時(shí)！

基于本文的論述，認(rèn)為我國湖泊微生物組研究將有望取得以下重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)與突破：全面深入了解湖泊微生物多樣性的分布規(guī)律、形成機(jī)理和維持機(jī)制；在全面認(rèn)識湖泊微生物功能的基礎(chǔ)上，揭示特殊環(huán)境下湖泊微生物的適應(yīng)機(jī)制；通過深度測序，發(fā)現(xiàn)一批新的微生物功能和代謝新途徑；揭示湖泊主要元素循環(huán)的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制，發(fā)展基于湖泊微生物組的湖泊水質(zhì)改善技術(shù)和對策。

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20 王蘇民, 竇鴻身. 中國湖泊志. 北京: 科學(xué)出版社, 1998.

吳慶龍 中科院南京地理與湖泊所研究員，中國科學(xué)院大學(xué)崗位教授，中國海洋湖沼學(xué)會(huì)湖泊專業(yè)委員會(huì)主任，中國生態(tài)學(xué)學(xué)會(huì)淡水生態(tài)專業(yè)委員會(huì)副主任，國際海洋與湖沼科學(xué)學(xué)會(huì)多樣性委員會(huì)委員。主要研究領(lǐng)域包括：湖沼學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)、湖泊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與恢復(fù)等。E-mail: qlwu@niglas.ac.cn

Wu Qinglong A senior scientist at Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences and a guest Professor at University of Chinese Academy of Sciences. He is also the head of the Division of lake Biology and Ecology. He has been educated at Nanjing University, University of Chinese Academy of Sciences, and Salzburg University with majors on environmental biology, freshwater ecology, and microbial ecology. He had worked at Austrian Academy of Sciences and National University of Singapore for a few years before he moved back to China in the year 2007. His main research area is microbial ecology in aquatic ecosystems and his experiences fall into the fields including microbial food webs and their interactions in inland waters, diversity and ecology of microbes in inland waters, prey-predator interactions among aquatic micro-organisms, and isolation and characterization of aquatic bacteria. He has published more than 60 peer reviewed papers in journals. He also serves as associate editors or editorial members for a few journals including Applied and Environmental Microbiology, BMC Microbiology, Limnology, and Frontier in Microbiology. He was awarded the Outstanding Young Scientist from National Science Foundation of China in the year 2012. E-mail: qlwu@niglas.ac.cn

China Lake Microbiome Project

Wu Qinglong Jiang Helong
（Nanjing Institute of Geography & Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China）

Lake is one of the most important ecosystems on the Earth. Lakes are vital for sustainable development of economy and society not only because lakes can provide important resources like water resources, aquatic products and tourisms, but also that lakes play key roles in flooding control, regional climate regulation, biodiversity protection, as well as the maintaining of regional ecosystem stability. China has plenty of lakes, covering very broad environmental gradients across different area of its continent. China is regarded as one of the countries with the highest diversity of lake ecotypes. Microbes are key components of lake ecosystems and are vital for nutrient cycling and ecosystem functioning. The high environmental heterogeneity across Chinese lakes will maintain a very high microbial diversity and rich microbial resources. However, we know little about the diversity and functionality of microbes that dwell in these diverse Chinese lakes, partially due to the low culturability and the methodological limitations of cultivation and isolation of lake microbes. Large scale culture-independent microbiome investigations and massive comparative metagenomic combined with transcriptomic studies will enhance our understanding on the patterns of diversity and distribution of microbes in Chinese lakes, as well as the mechanisms behind of these patterns. It is also expected that the microbial functional potentials and microbial adaptation to extreme lake environments will be explored in depth from the data of large scale culture-independent microbiotic studies. In particular, we will be able to discover new microbial metabolic pathways and functions to a large extend, which are crucial for exploitation of microbial resources from lakes. We will also uncover the processes, mechanisms, and environmental control of nutrient cycling driven by microbes in lakes. These scientific achievements will enable a better understanding of the structure and functionality of lake ecosystems and will be also helpful for protection of microbial diversity and sustainable exploitation of microbial resources. Furthermore, from the microbial perspectives, we may find more solutions for the mitigation of lake pollution and the restoration of lake ecosystems through enhanced microbiome studies.

lake, eco-environment, microbes, microbiome, project

*資助項(xiàng)目：中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDJSSW-DQC030），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41621002、31225004）

修改稿收到日期：2017年1月24日