科研 | Mol. Ecol:寡营养海洋环境中环境同质性选择主导了微生物群落的组装

编译:思敏如月,编辑:小菌菌、江舜尧。

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导读

寡营养亚热带环流占地球表面积的40%,南太平洋是最大的营养贫瘠的亚热带海洋。该地区的环境特性在空间和时间大尺度上具有较高的相似性,地区初级生产力受硝酸盐和铁离子利用效率的限制。在南太平洋,主要的生产者是蓝细菌,而异养细菌和古细菌调控碳和其他养分循环。碳的输出与环境中微生物群落组装过程密不可分。目前,有关南太平洋中微生物组装过程仍未得到全面深入的研究。

生态理论认为,微生物群落组装过程被分为两类,即随机性和确定性。微生物群落组装的随机性和确定性是可以同时存在的,它们是以以下4种方式存在于微生物组装过程中的,即选择、传播、漂移和物种形成。有关微生物群落组装的随机性和不确定性在浅海海域和深海海域都得到了研究者的高度重视。

因此,研究南太平洋中微生物群落组装的随机性和确定性是微生物生态中的主要研究点。本研究以寡营养南太平洋为研究靶区,利用构建统计学模型,分析了微生物群落组装过程中的随机性和确定性。

论文ID

原名:Homogeneous environmental selection dominates microbial community assembly in the oligotrophic South Pacific Gyre
译名:营养贫瘠的南太平洋中,环境同质性选择主导了微生物群落的组装
期刊:Molecular Ecology
IF:5.163
发表时间:2020.09
通讯作者:Ro Allen
通讯作者单位:新西兰达尼丁·奥塔哥大学·植物学系

实验设计

本研究以寡营养南太平洋为研究靶区,于2011年6月采集表层水(0-50m)和深层水(叶绿素含量最高处,109-154m)共60个水样(图1)。分析水体硝酸盐、磷酸盐和铁离子等浓度;提取水体总DNA,对细菌16S rRNA基因V4区进行扩增,通过Illumina Miseq平台对扩增产物进行测序,所得序列提交NCBI;原始序列去噪和过滤后,通过RDA分类软件进行OUT聚类,分析寡营养南太平洋中细菌多样性群落组成。

图1 南太平洋寡营养热带环流中叶绿素含量

结果

1 微生物生物地理学

在寡营养南太平洋中,不同深度的细菌群落组成极为相似(图2)。南太平洋中细菌群落主要以典型的寡营养细菌为主,如原绿球藻(图3)。与15和50米处相比,细菌多样性在DCM处较高,且群落组成较分散。在15、50米和DCM处,细菌群落组成的距离衰减较弱,但在DCM处是15和50米处的3倍(图4)。
图2 (a)基于bray - curtis在南太平洋寡营养环流15、50米和DCM处微生物群落差异的主坐标分析(PCoA);(b)不同深度微生物群落差异性分析小提琴图。
图3 南太平洋寡营养环流中微生物群落组成热图(基于群落类群丰度)。
图4 南太平洋寡营养热带环流中细菌群落组成距离衰减模式。
2 微生物群落组装

研究结果表明,在南太平洋寡营养热带环流不同深度水体中,微生物群落组装的确定性过程比随机性重要。环境同质性选择是微生物群落组装的决定性因素。在15和50米处,同质性选择占微生物组装过程的100%,在DCM层,同质性选择占微生物群落组装的91.81%,随机性过程对微生物群落组装的影响较小。在垂直方向尺度上,环境同质性选择在15-50米占细菌群落组装过程的100%,随机性过程对细菌组装过程影响较大。秩检验表明,零模型和海水密度、温度具有较强的关系,而与深度关系较弱;硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐和盐度与零模型无直接关系(图5)。

 
图5 零模型与海水密度(a)和温度(b)的关系。

结论

在本研究中,我们分析了在南太平洋寡营养环流约2000公里的纵向尺度上微生物群落组成的显著相似性,并表明生物地理现象的基础是区域内具有高度确定性的微生物群落组合。虽然在垂直尺度上,确定性过程仍然是最具影响力的微生物群落装配过程,但我们证明,在营养贫乏的海洋中,分散限制在相邻水体之间的群落装配中发挥了重要作用。这突出了在构造微生物群落的随机过程的相关性,这是经常争论的我们确定海水密度和温度是随机和确定性群落装配过程平衡的环境调节器,与平流在水团之间扩散的证据相一致,温度是海洋微生物群落组成的关键决定因素。硝酸盐的限制也可能对南方的微生物群落造成选择压力,尽管这些影响在本研究中可能在数量上被低估了。宏观生态理论认为,在生产力较高的环境中,随机过程对群落的聚集有较大的影响。我们的结果支持了这一观点,证明了微生物群落在地球上生产力最低的海水中具有压倒性的决定性。


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