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湿地生态系统是陆地与水生生态系统之间的过渡生态系统，由于强烈的土壤潜育化过程，积累了大量土壤有机质，碳储量高达20-25％，是全球重要的碳汇之一。微生物参与了湿地生态系统多种元素的地球化学循环过程，据估算，全球超过1/5的甲烷排放源自湿地，湿地生态系统已成为最大的甲烷排放自然源头。产甲烷古菌是广古菌门中一类严格厌氧菌，也是自然界中唯一能够生物合成甲烷的微生物类群。其多样性、群落组成和活性决定了湿地中甲烷的产生速率，并受到生物或非生物因素的影响。青藏高原是世界上海拔最高、中国面积最大的高原，被称为世界“第三极”，平均海拔大于4000m，辐射强而气温低，年均温在0℃以下，是典型的高寒生态系统。20世纪以来，由于人类活动的影响，青藏高原的高寒湿地已经损失了2970km2的湿地面积。湿地生态系统的退化可能造成产甲烷古菌群落的物种丢失和生态功能衰减，因此研究青藏高原高寒湿地产甲烷古菌的多样性及其功能对于该地区种质资源保护和生态环境恢复有重要意义。然而，目前人们关于青藏高原湿地产甲烷古菌的多样性和生态功能的认识仍旧十分有限;湿地产甲烷古菌的生物地理分布格局怎样，以及其对未来气候变化的响应模式如何未有明确答案。因此，本论文以青藏高原的高寒湿地为研究对象，利用高通量测序和DNA稳定同位素探针等技术，系统研究了青藏高原典型湿地中的产甲烷古菌多样性及其功能。主要结果如下:
(1)通过对青藏高原小尺度下不同生境（高寒草甸、沼泽化草甸和淹水湿地）古菌及产甲烷古菌群落的研究，发现高寒草甸的古菌多样性最低，淹水湿地最高，两者相差三倍之多。高寒草甸中的奇古菌门相对丰度最高(92.4％)，淹水湿地中的广古菌门相对丰度最高(64.6％)，沼泽化草甸中的奇古菌门(43.8％)和广古菌门(22.0％)相对丰度介于高寒草甸和淹水湿地之间。土壤古菌的多样性和群落结构在不同生境间存在显著差异。土壤水分(SM)、碳氮比(C/N)和可溶性有机碳(DOC)是影响古菌群落多样性和群落结构的主要因子，其中C/N对群落结构差异的解释率最高(43.0％)。淹水湿地中的产甲烷古菌多样性显著高于沼泽化草甸。甲烷杆菌目在沼泽化草甸中的相对丰度显著高于淹水湿地，但甲烷微菌目、甲烷胞菌目、甲烷八叠球菌目的相对丰度均显著低于淹水湿地。沼泽化草甸中的产甲烷古菌以氢营养型为主(92.3％)，淹水湿地中以乙酸营养型为主(56.4％)。沼泽化草甸及淹水湿地之间的产甲烷古菌群落结构存在显著差异，表现为甲烷杆菌目相对丰度的减少，甲烷八叠球菌目和甲烷胞菌目的增加。影响产甲烷古菌群落分布的主要环境因子是SM、DOC和总氮(TN)。古菌和产甲烷古菌群落在不同生境间的分布规律揭示了沼泽化草甸作为高寒草甸和淹水湿地的过渡带特征，淹水湿地较沼泽化草甸具有更高的产甲烷潜力。
(2)通过藏东南地区湿地产甲烷古菌随海拔梯度的空间分布研究，发现甲烷杆菌目是海拔小于2000m湿地中的最优势类群，相对丰度为47.7％，甲烷八叠球菌属是海拔大于2000m湿地中的最优势类群，相对丰度在28.1％。产甲烷古菌的多样性与SM、pH、土壤速效养分和C/N显著相关。产甲烷古菌群落结构在低海拔湿地与中高及高海拔湿地中显著差异。在所有样地中，产甲烷古菌群落结构与经度、年均温(MAT)和海拔显著相关。产甲烷古菌的群落相似性与海拔差异存在显著的距离衰减关系，当控制地理距离后海拔差异与产甲烷古菌群落结构显著相关（r=0.16）。在海拔大于2000m样地中，经度和pH显著影响了产甲烷古菌群落结构，当控制地理距离后环境距离与产甲烷古菌群落结构显著相关(r=0.11)。产甲烷古菌群落相似性与环境距离存在显著的距离衰减关系，与地理距离和海拔差异则无规律。pH、C/N和经度是影响海拔大于2000m湿地中影响产甲烷古菌群落分布的主要因子;群落聚集受不同因子影响，pH驱动BYC-XSD簇，C/N驱动LCJ-SQ簇，pH和经度共同驱动的SLZZ-NSQ簇。土壤pH与净谱系亲缘关系指数(NRI)呈现显著负相关（r=-0.263），在pH＜7、7-8、8-9和＞9时，NRI的中位值分别为1.49、0.89、0.72和0.52。以上结果表明产甲烷古菌的空间分布格局受海拔的显著影响，pH是海拔大于2000m时产甲烷古菌群落的主要影响因子;产甲烷古菌群落构建的机制随着pH的升高从确定性过程向随机性过程转变。
(3)通过青藏高原湿地产甲烷古菌对水位降低和氮添加处理的响应研究，发现水位降低处理显著降低了产甲烷古菌的多样性，主要是由于甲烷微菌目多样性的降低造成的。pH、SM和速效养分显著影响了产甲烷古菌的多样性。水位降低处理对产甲烷古菌群落结构的影响更强（主效应R2=0.290），氮添加的影响次之（主效应R2=0.178）。pH、SM、铵态氮(NH4+)、DOC、和可溶性有机氮(DON)对产甲烷古菌的群落结构有显著影响，其中以pH和DON的解释率最高，分别解释了37.1％和26.1％的群落结构差异。产甲烷古菌共存网络的拓扑结构受到水位降低处理的显著影响，模块中心节点OTUs的主要组成为Methanoregulaceae、甲烷胞菌科和甲烷杆菌科。其中，Methanoregulaceae具有所有模块中心节点中最高的模块间连接度(0.22)。在3个主要生态模块中，模块0的标准化平均模块丰度受到水位降低处理的影响而显著降低。不同生态模块中节点的群落构建过程不同，模块0的净种间最近距离指数(NTI)显著大于2，而NRI与0没有显著差异，模块1的NTI和NRI均显著大于2，模块2的NTI和NRI均与0没有显著差异。模块0的标准化平均模块丰度对甲烷排放速率有显著正效应（标准化总效应0.279），该模块中与甲烷排放速率呈显著正相关的节点OTUs类群是Methanoregulaceae。以上结果表明了产甲烷古菌共存网络中的生态模块对甲烷排放速率有重要影响，Methanoregulaceae是共存网络中的核心类群，不仅维持了产甲烷古菌的共存网络，并且能够作为甲烷排放速率的指示类群。
(4)通过对青藏高原（海北）及东北（三江和向海）典型湿地中的活性产甲烷古菌群落研究，发现同位素标记的13C层中产甲烷古菌多样性显著低于未标记的12C层。在所有样品中，样地差异对产甲烷古菌多样性有显著影响，海北(HB)湿地的多样性显著高于其他样地，而在重层中，底物处理差异对产甲烷古菌多样性影响显著，在甲醇处理中最高。轻层中的产甲烷古菌主要受到样地因素的影响（解释率56.5％），底物处理因素解释率仅为7.3％。重层中的产甲烷古菌群落结构受到底物处理因素的强烈影响（解释率68.3％），样地因素解释率仅为10.9％，底物处理因素与样地因素存在显著的交互效应（解释率15.6％）。不同底物转化为CH4时的潜在转化方式依样地的不同而不同，CO2底物的直接转化率在三江(SJ)湿地中最高(67.0％)，在向海(XH)湿地中最低(1.7％)，其间接转化率在XH湿地中最高（98.5％经乙酸盐），在SJ湿地中最低（33.0经乙酸盐）。乙酸底物的直接转化率在SJ湿地中最高(100％)，在HB湿地中最低(80.4％)，其间接转化率在HB湿地中最高（17.5％经CO2），在SJ湿地中最低(0％)。甲醇底物的直接转化率在HB湿地中最高(72.0％)，在XH湿地中最低(49.3％)，其间接转化率在XH湿地中最高（42.6％经CO2，7.8％经乙酸盐），在HB中最低(27.1％经CO2，0.9％经乙酸盐）。以上结果揭示了活跃的产甲烷古菌群落对底物类型的敏感性，以及在不同湿地中的功能差异，从而引起底物在转化为甲烷过程中转化方式的差异。
(1)通过对青藏高原小尺度下不同生境（高寒草甸、沼泽化草甸和淹水湿地）古菌及产甲烷古菌群落的研究，发现高寒草甸的古菌多样性最低，淹水湿地最高，两者相差三倍之多。高寒草甸中的奇古菌门相对丰度最高(92.4％)，淹水湿地中的广古菌门相对丰度最高(64.6％)，沼泽化草甸中的奇古菌门(43.8％)和广古菌门(22.0％)相对丰度介于高寒草甸和淹水湿地之间。土壤古菌的多样性和群落结构在不同生境间存在显著差异。土壤水分(SM)、碳氮比(C/N)和可溶性有机碳(DOC)是影响古菌群落多样性和群落结构的主要因子，其中C/N对群落结构差异的解释率最高(43.0％)。淹水湿地中的产甲烷古菌多样性显著高于沼泽化草甸。甲烷杆菌目在沼泽化草甸中的相对丰度显著高于淹水湿地，但甲烷微菌目、甲烷胞菌目、甲烷八叠球菌目的相对丰度均显著低于淹水湿地。沼泽化草甸中的产甲烷古菌以氢营养型为主(92.3％)，淹水湿地中以乙酸营养型为主(56.4％)。沼泽化草甸及淹水湿地之间的产甲烷古菌群落结构存在显著差异，表现为甲烷杆菌目相对丰度的减少，甲烷八叠球菌目和甲烷胞菌目的增加。影响产甲烷古菌群落分布的主要环境因子是SM、DOC和总氮(TN)。古菌和产甲烷古菌群落在不同生境间的分布规律揭示了沼泽化草甸作为高寒草甸和淹水湿地的过渡带特征，淹水湿地较沼泽化草甸具有更高的产甲烷潜力。
(2)通过藏东南地区湿地产甲烷古菌随海拔梯度的空间分布研究，发现甲烷杆菌目是海拔小于2000m湿地中的最优势类群，相对丰度为47.7％，甲烷八叠球菌属是海拔大于2000m湿地中的最优势类群，相对丰度在28.1％。产甲烷古菌的多样性与SM、pH、土壤速效养分和C/N显著相关。产甲烷古菌群落结构在低海拔湿地与中高及高海拔湿地中显著差异。在所有样地中，产甲烷古菌群落结构与经度、年均温(MAT)和海拔显著相关。产甲烷古菌的群落相似性与海拔差异存在显著的距离衰减关系，当控制地理距离后海拔差异与产甲烷古菌群落结构显著相关（r=0.16）。在海拔大于2000m样地中，经度和pH显著影响了产甲烷古菌群落结构，当控制地理距离后环境距离与产甲烷古菌群落结构显著相关(r=0.11)。产甲烷古菌群落相似性与环境距离存在显著的距离衰减关系，与地理距离和海拔差异则无规律。pH、C/N和经度是影响海拔大于2000m湿地中影响产甲烷古菌群落分布的主要因子;群落聚集受不同因子影响，pH驱动BYC-XSD簇，C/N驱动LCJ-SQ簇，pH和经度共同驱动的SLZZ-NSQ簇。土壤pH与净谱系亲缘关系指数(NRI)呈现显著负相关（r=-0.263），在pH＜7、7-8、8-9和＞9时，NRI的中位值分别为1.49、0.89、0.72和0.52。以上结果表明产甲烷古菌的空间分布格局受海拔的显著影响，pH是海拔大于2000m时产甲烷古菌群落的主要影响因子;产甲烷古菌群落构建的机制随着pH的升高从确定性过程向随机性过程转变。
(3)通过青藏高原湿地产甲烷古菌对水位降低和氮添加处理的响应研究，发现水位降低处理显著降低了产甲烷古菌的多样性，主要是由于甲烷微菌目多样性的降低造成的。pH、SM和速效养分显著影响了产甲烷古菌的多样性。水位降低处理对产甲烷古菌群落结构的影响更强（主效应R2=0.290），氮添加的影响次之（主效应R2=0.178）。pH、SM、铵态氮(NH4+)、DOC、和可溶性有机氮(DON)对产甲烷古菌的群落结构有显著影响，其中以pH和DON的解释率最高，分别解释了37.1％和26.1％的群落结构差异。产甲烷古菌共存网络的拓扑结构受到水位降低处理的显著影响，模块中心节点OTUs的主要组成为Methanoregulaceae、甲烷胞菌科和甲烷杆菌科。其中，Methanoregulaceae具有所有模块中心节点中最高的模块间连接度(0.22)。在3个主要生态模块中，模块0的标准化平均模块丰度受到水位降低处理的影响而显著降低。不同生态模块中节点的群落构建过程不同，模块0的净种间最近距离指数(NTI)显著大于2，而NRI与0没有显著差异，模块1的NTI和NRI均显著大于2，模块2的NTI和NRI均与0没有显著差异。模块0的标准化平均模块丰度对甲烷排放速率有显著正效应（标准化总效应0.279），该模块中与甲烷排放速率呈显著正相关的节点OTUs类群是Methanoregulaceae。以上结果表明了产甲烷古菌共存网络中的生态模块对甲烷排放速率有重要影响，Methanoregulaceae是共存网络中的核心类群，不仅维持了产甲烷古菌的共存网络，并且能够作为甲烷排放速率的指示类群。
(4)通过对青藏高原（海北）及东北（三江和向海）典型湿地中的活性产甲烷古菌群落研究，发现同位素标记的13C层中产甲烷古菌多样性显著低于未标记的12C层。在所有样品中，样地差异对产甲烷古菌多样性有显著影响，海北(HB)湿地的多样性显著高于其他样地，而在重层中，底物处理差异对产甲烷古菌多样性影响显著，在甲醇处理中最高。轻层中的产甲烷古菌主要受到样地因素的影响（解释率56.5％），底物处理因素解释率仅为7.3％。重层中的产甲烷古菌群落结构受到底物处理因素的强烈影响（解释率68.3％），样地因素解释率仅为10.9％，底物处理因素与样地因素存在显著的交互效应（解释率15.6％）。不同底物转化为CH4时的潜在转化方式依样地的不同而不同，CO2底物的直接转化率在三江(SJ)湿地中最高(67.0％)，在向海(XH)湿地中最低(1.7％)，其间接转化率在XH湿地中最高（98.5％经乙酸盐），在SJ湿地中最低（33.0经乙酸盐）。乙酸底物的直接转化率在SJ湿地中最高(100％)，在HB湿地中最低(80.4％)，其间接转化率在HB湿地中最高（17.5％经CO2），在SJ湿地中最低(0％)。甲醇底物的直接转化率在HB湿地中最高(72.0％)，在XH湿地中最低(49.3％)，其间接转化率在XH湿地中最高（42.6％经CO2，7.8％经乙酸盐），在HB中最低(27.1％经CO2，0.9％经乙酸盐）。以上结果揭示了活跃的产甲烷古菌群落对底物类型的敏感性，以及在不同湿地中的功能差异，从而引起底物在转化为甲烷过程中转化方式的差异。