探讨海洋甲藻水华中的藻圈微生物形态，用于控制微生物群落模式 - 海洋微生物生态学

7 p( T+ F4 B! O4 D2 S6 j

前言

( {' y- r' B7 [; ?% m

鉴于微生物在藻华事件中的生态意义，了解它们在不同条件下的分布机制至关重要，我们测试了微生物群落演替与藻华阶段密切相关的假设，并且组装机制由确定性和随机过程共同控制,我们的研究结果加强了对HAB过程中控制微生物群落模式的生态机制的理解。

4 ?: H6 q- Y% n U, G- o

实验开始目的

- {0 U% ~+ p9 x2 a' ^% j# x

重要性在海洋生态事件中解开塑造浮游细菌群落的机制是生态学家的核心关注点，有害藻华（HAB）是一种典型的生态灾难，其形成受藻类-细菌相互作用的显著影响。

' E |! \ H0 t" A4 `6 ^# a5 A0 w

HAB过程中的微生物群落变化是相对众所周知的，然而，有害藻华中微生物群落的组装过程尚未完全了解，尤其是确定性和随机性过程的相对影响。

$ [- f) y6 u2 [- F3 a$ D* j

生态演替的概念在微生物生态学领域至关重要，控制生态演替的机制和轨迹对于准确预测生态系统对环境变化的响应并预测其未来状态至关重要，群落组装机制和相关关键因素（如物理化学参数、生境类型和生物相互作用）在塑造物种组成和结构方面的机制仍然存在争议，特别是在微生物生态学中。

1 I! q$ t8 |* K9 U1 H* n9 j, d0 g

传统的基于生态位的理论假设特定变量，如生活史特征，物种相互作用（如竞争，捕食，互利共生和权衡）和非生物条件（如pH，温度，盐和水分）决定了群落的组织方式。

这与中性理论不同，中性理论将群落结构描述为独立于物种特征;它假设它们是由随机过程决定的，例如出生，死亡，移民，灭绝和物种形成。

1 I& z. U% c; N; P- {8 y7 L

在当地社区集合中同时发生基于利基和中立的理论过程现在被广泛接受，然而，这些过程和因素在整个群落结构，演替和生态结果中扮演什么角色仍然存在争议。

这项研究是在天然海洋甲藻水华（Scrippsiella trochoidea）上进行的，以检查微生物群落的群落结构，还研究了确定性和随机性机制在调节其演替模式中的作用。

/ r* E$ e/ I" Z- d `

我们假设决定论和随机性同时控制微生物群落的组装，环境选择，生态漂移和扩散在自由生活和附着细菌的不同水华阶段之间具有不同的贡献。

该研究的目的是确定HAB循环中的微生物结构和主要驱动因素，以及了解确定性与随机过程如何在HAB扰动下改变微生物组合。

8 t8 h1 ]( G4 J" p3 I7 C

绽放特性

在海洋甲藻水华周期的过程中记录了三个阶段：开花前，开花期间和开花后阶段，在采样期间，温度、盐度和pH值分别为22.1至26.0°C、27.9至29.5‰和8.05至8.09，还显示了在每个时间点观察到的营养浓度。

6 H1 M9 _( l+ S$ R- Z

生物多样性组成根据水华阶段的变化

9 f" r- ~, G3 O- i9 X. E+ b

通过测序总共获得了5，640，302个16S rRNA基因序列，去除低质量序列后，每个样本平均子采样78，337个读数，序列统计可以在表S2中找到。

使用97%的相似性截止值，从现场样品中获得了3，625个附着的细菌操作分类单位（OTU）和6，177个自由生活的细菌OTU，在附着细菌和自由生活的细菌之间观察到α多样性变化的不同趋势。

" T. l8 T7 Z5 l9 t$ x+ Z

& u# j8 L6 t8 l1 O: v

在整个旋涡蝇蕈水华期间，附着细菌群获得的Chao1指数稳步增加，在开花后阶段出现峰值3，050，香农指数也显示出类似的趋势，在水华期间放大，在整个水华过程中，附着细菌群的辛普森指数和优势指数没有显着变化。

) i; u) p7 P j5 P8 B4 G+ k

在自由生活组中，在整个HAB期间检测到波动，开花前阶段的Chao1多样性指数值最高（4，420），开花期/开花期间的多样性指数值最低（3，800），香农指数值在开花期间下降，而辛普森指数值从这个时间点上升。

; _ R! U3 V0 }- }

优势指数显示出与辛普森指数相反的趋势，最低值（0.045）出现在开花期/开花期间，经过Spearman的相关分析，丰富度和Chao1多样性与温度、PO43−浓度和IN/IP比（P < 0.05），但与盐度和Chl a水平呈明显的负相关（P < 0.05）（表S3）。

% @8 [ l0 C: c" d

变形杆菌和拟杆菌是主要类群，分别占OTU读数总数的72.5%±5.3%和16.2%±5.8%。

' u9 U! K- [+ B

在类或目水平上，附着的细菌在开花过程中发生了很大变化，红杆菌、弧菌和黄杆菌在第一个采样期最为普遍，其相对丰度在开花期显著增加（近70%），弧菌，海洋螺旋菌，交替单胞菌，军团菌、原菌（假单胞菌和肠杆菌）均在水华下降期间存在，这些分类群的比例丰度在开花后阶段增加。

0 w8 a: C( z7 k" A' ~6 Q

/ I, H/ W0 Q2 w# x8 F% R' j0 R5 n6 N

这些分类群合计占细菌群落总量的30.5%，拟杆菌（尤其是拟杆菌）从开花前（<1%）逐渐增加到开花期（1.3%），在开花后达到最大丰度（7.2%），图显示了科和属水平上分类群之间差异的热图。S6.

在有害藻华事件期间，自由生活的细菌群落的组成也观察到显着差异，红杆菌、黄杆菌、拟杆菌和海洋螺旋菌占自由生活细菌群落的大多数。

' I& {/ s; b5 j1 ]. a% r) c

* D& q9 Q% s+ B. K2 H

聚类分析、微生物群落与环境因子的相关性以及网络分析

4 @0 g2 O" b+ V# v: w" w

在三个水华阶段（开花前、开花期间和开花后），根据细菌样品的分类单元类型（附着或自由生活）将细菌样品分成两簇，经过组合分析，在附属组中，将开花后阶段的样品聚集在一起，通常与前两个阶段收集的样品分开。

* l$ T8 f B8 ~) \) x

在自由生活群体中也观察到类似的情况，在某些阶段有一些重叠。

为了确定有助于细菌群落组成的可能生物因素，生成了基于群落相关性的相互作用网络，在前15类（相对丰度）微生物中，有12，152个关联，其中53.9%为阳性，46.1%为阴性。

, s4 Y' R/ ]1 P0 H. E# G' \2 q x

这些关联代表了共存亚群落中的种间和种内相互作用，包括7，029对，3，628个三胞胎和1，495个四胞胎，在正相关关系中，发现α变形杆菌、伽马变形杆菌、黄藻、放线菌和甲藻是关键类群。

; `' m: D) D& Y1 E* |) z; S( `

在成对分析中，这五组最常同时发生，特别是甲藻和α变形杆菌（P < 0.01），在负面关系中也观察到积极的相互作用，这在α变形杆菌中发生率最高。

该类与几种微生物高度负相关（P < 0.01），包括鞭毛杆菌、黄杆菌、BD1-5和目标甲藻（如旋毛链球菌），在15个最丰富的OTU中，有<>个显示出与S. trochoidea的负非线性相关性。

基本生态元素的组装过程和相对贡献

观察到大多数附着样品的β-NTI值在开花前和开花期/开花期间超出-2至+2（P < 0.05）的范围，表明确定性过程支配群落组装。相比之下，对于水华后阶段的样品，β-NTI值小于2（P < 0.05），这表明随机过程塑造了这些社区的集合。

$ V4 M2 E a! Q9 \' \) y- B& c

- m. s* q( `$ K9 B

在自由生活的分类群中，每个连续水华阶段β-NTI值的成对比较揭示了不同数据集中的各种模式，β-NTI分布在演替阶段逐渐转移，从随机群落组装（−2 < β-NTI < +2）转变为同质选择（β-NTI < −2）。

然而，在开花后阶段，β-NTI在演替阶段的趋势略有不同，其中选择部分减弱。

" D7 N* c1 v o( B0 J" Y% y( p t2 A* C

, O* u7 v4 d. `- [5 c; l

为了估计每个组装过程在HAB阶段的相对贡献，将加权β-NTI与基于Bray-Curtis的Raup-Crick（RCbray）和零分析结合使用，以量化影响浮游细菌组成的生态过程。

在所附组中，均匀选择比例的趋势随着时间的推移而下降（从开花前阶段的62.5%下降到绽放后阶段的27.5%），然而，异质选择的贡献逐渐增加;花前、花中和花后阶段的数值分别为 7.5%、17.7% 和 22.1%。

此外，在这些数据集中，扩散限制和均质化扩散在藻层细菌中显示出显着影响，这些影响在HAB过程的绽放后阶段增加。对于生态漂移分数，百分比相对稳定（在14.4%和18.5%之间）。

与附着的分类群相比，在自由生活的细菌中观察到不同的观点。确定性选择过程（均质选择和均质分散）的比例在开花前和开花期间/开花期间较高，而随机过程（扩散限制和漂移）的比例在开花后阶段增加。

3 c& r, J% n6 I+ Y l

* M8 F' c% p3 C9 R2 i9 r2 m

有趣的是，生态漂移的比例从11.2%（开花前）增加到13.5%（开花期间），高达24.7%（开花后），与初期相比，花后期漂移占的比例增加了2.2倍。

/ Q% U. c9 d& Z0 O3 X7 e

实验数据的分析

藻层细菌对有害藻华事件表现出强烈的反应，结果证实了我们的假设，即微生物群落演替与有害藻华的各个阶段相互关联，并且组装机制受随机中性过程的共同影响。

. K1 n& d8 H/ y' V

与我们的结果一致，以前的工作证实，在原核生物群落的组装过程中，环境选择和中性过程都可以发挥作用。

4 ?: Q: @+ u1 S3 f' l$ x

! u& D, |; {8 C% M( b9 N" c% i

最终数据

微生物群落在有害藻华过程中表现出明显的演替模式，环境参数和生物相互作用都是结构变化的原因，研究了两种主要理论（生态位理论和中性理论），以确定对解释有害藻华事件中微生物群落组成的相对贡献。

在附着细菌中，群落组装在开花前和开花期间/开花期间主要由环境过滤决定，而自然选择在开花后阶段参与，然而，在自由生活组中观察到了不同的情况。

在该组中，早期演替阶段的细菌群落组装部分受到随机过程的影响，此外，确定性过程的相对重要性在以后的演替阶段逐渐增加，我们的研究增加了我们对在有害藻华过程中影响藻层微生态系统中微生物群落组装的特定生态过程的理解。

1 ^ W2 ]$ ^# ]; j

为了更全面地了解HAB事件中浮游细菌的组装曲线，确定改变随机和确定性组装过程之间平衡的其他因素（宿主类型，水文参数，底物状态和更长的时间序列）是研究前进的关键因素。

* `* g, H+ Y" n8 W+ j: |+ R: ^0 }

$ H4 b( p S3 v: ]

参考资料：

[1]周军，《随机群落集会：在微生物生态学中重要吗？ 》

[2]周杰， 邓莹， 《流体生态系统中的随机性、演替和环境扰动》

u- ]" A) v( [/ @: v G; J

[3]切森，《维持物种多样性的机制》

[4]查夫，《中立理论和社区生态学》

4 Q3 ]4 H/ g! S: l

[5]斯泰根，科诺普卡 ，《地下微生物群落的随机和确定性组装过程》