汉江浮游细菌稀有群落的分布与构建机制_方尧.pdf

309 国家自然科学基金(41907203)和中国博士后科学基金(2021T140010)资助 收稿日期:20220302;修回日期:20220327 北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,Vol.59,No.2(Mar.2023)doi:10.13209/j.0479-8023.2023.004 汉江浮游细菌稀有群落的分布与构建机制 方尧1,2 王冰雪1,2 薛泽环2 李治龙1,2 刘唐2,3,1.北京大学深圳研究生院环境与能源学院,深圳 518055;2.教育部水沙科学重点实验室,北京大学环境工程系,北京 100871;3.深圳大学化学与环境工程学院,深圳 518061;通信作者,E-mail: 摘要 基于 Illumina 高通量测序,调查汉江浮游细菌整体及稀有、丰富物种的组成、分布与构建机制,得到细菌 22 门 55 纲 93 目 132 科 164 属,Proteobacteria,Actinobacteria 和 Bacteroidetes 等为优势菌门。将 4035 个ASV(80.2%)定义为稀有物种。汉江浮游细菌群落 多样性季节差异显著,而稀有物种受季节的影响更显著。非度量多维尺度分析结果显示,汉江浮游细菌群落季节分布与沿程分布差异不显著。Mantel 分析结果表明,溶解氧和氨氮为秋季群落的主要影响因素。方差分解分析结果表明,环境因子对群落的影响大于空间因子。确定性过程为群落总体的主导构建机制,而稀有及丰富物种主要受随机过程影响。与丰富物种相比,稀有物种受环境选择过程的影响更大。关键词 汉江;浮游细菌;稀有物种;构建机制 Distribution and Assembly Mechanisms of Rare Bacterioplankton Community in Hanjiang River FANG Yao1,2,WANG Bingxue1,2,XUE Zehuan2,LI Zhilong1,2,LIU Tang2,3,1.School of Environment and Energy,Peking University Shenzhen Graduate School,Shenzhen 518055;2.Key Laboratory of Water and Sediment Sciences(MOE),Department of Environmental Engineering,Peking University,Beijing 100871;3.College of Chemistry and Environmental Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518061;Corresponding author,E-mail: Abstract The authors probed Illumina high-throughput sequencing in Hanjiang River to investigate the community structure,distribution and assembly mechanisms of bacterioplankton integrally and rare taxa(RT),abundant taxa(AT)respectively.Hanjiang River bacteria spanned across 22 phyla,55 classes,93 orders,132 families and 164 genera dominated by Proteobacteria,Actinobacteria and Bacteroidetes.4035 ASVS(80.2%)were defined as RT.Significant seasonal differences were found of the bacteria community by alpha diversity and this pattern were intensified by RT.Non-metric multidimensional scaling(NMDS)showed insignificant differences of the seasonal and spatial distribution of bacteria community in Hanjiang River.Mantel tests considered dissolved oxygen(DO)and ammonia nitrogen as primary influencing factors of autumn microbiome community.Variance partitioning analysis(VPA)indicated more stress from environmental factors to the bacteria community compared with spatial factors.The holistic bacteria community was dominated by deterministic process,while both RT and AT were mainly affected by stochastic process.Overall,RT was mainly influenced by environmental selection as opposed to AT which were more inclined to stochastic distribution.Key words Hanjiang River;bacterioplankton;rare taxa;assembly mechanism 细菌是生态系统中的重要组成成分。河流水体充当生物和非生物物质的载体1,河流浮游细菌通过复杂的群落结构和功能,耦合大陆与海洋间碳、氮、磷和硫等元素的循环过程23,在淡水水生生态系统的能量流动和生物地球化学循环中起到关键作用45。生物信息学技术已广泛应用于微生物生北京大学学报(自然科学版)第 59 卷 第 2 期 2023 年 3 月 310 态学,能够基于高通量测序数据揭示细菌群落组成、探究其生物地理学分布特征以及群落组装过 程1,68,从而为维护水生生态环境平衡健康发展提供依据9。高通量测序技术可以从环境样本中鉴别丰度较高的丰富物种和丰度较低的稀有物种10。前者实现了环境中大部分的生态功能11,但稀有物种也是群落生态的重要贡献者,它们提供了丰富的遗传多样性与广泛的生态功能,为维持生态平衡、增强群落的适应性提供了更多的可能性1213。已有研究表明,在土壤1415、海洋1617和湖泊18等生态系统中,稀有物种表现出独特的分布模式,与丰富物种有显著差异,因此进一步探索其生物地理学模式及群落构建差异十分必要19。汉江是长江最大的支流,发源于陕西秦岭,流经陕西和湖北两省,在武汉市汉口龙王庙汇入长江,是“长江经济带”的重要组成部分,承载上百万人的用水需求。朱庆威等20从汉江上游采样,探究沉积物细菌群落结构特征及其形成过程中所受的生态机制影响。梁俊等21研究了丹江口水库生态调度期间汉江中下游细菌群落结构的变化特征。但是,对汉江流域内细菌群落结构及稀有物种和丰富物种的生物地理学分布研究仍有待开展。本研究在汉江采集春、秋两季水样,利用二代扩增子测序技术,探究自然生态和人类活动作用下的汉江浮游细菌总体群落和稀有物种、丰富物种的组成、多样性、分布特征及群落构建机制,为河流微生物研究提供基础资料,为维护汉江绿色生态功 能提供科学参考。1 研究区域与方法 汉江为长江第一大支流,干流全长 1577 km,丹江口以上为上游,丹江口至钟祥为中游,钟祥以下为下游,流域面积为 15.9 万 km222。受季风气候影响,汉江流域径流年内分配不均,夏秋多,冬春少,雨量分布大致呈现东南向西北递减的趋势,不同降水期径流相差约 6 倍23。汉江满足着沿线居民的用水需求,其中丹江口水库是南水北调中线干线工程的水源地,具有重要的战略意义。1.1 采样点布设 本研究在汉江流域布设 7 个采样点,自上而下依次为白河(1BH)、陶岔(2TC)、丹江口(3DJK)、襄阳(4XY)、仙桃(5XT)、集家嘴(6JJZ)和武汉(7WH),分别于 2014 年 3 月和 10 月对水体样品进行采集,站点位置如图 1 所示。1.2 样品采集与预处理 使用采水器采集水体样品,采集好的水样于04C 冷藏运输至实验室,采样方法参照淡水浮游生物调查技术规范(SC/T 94022010)。24 小时内,使用孔径为 0.22 m 的聚碳酸酯膜(Millipore,USA)过滤水样,后续滤膜用于 DNA 提取。同时,使用流速仪测定水体流量,用 YSI-85 水质分析仪(YSI,USA)现场测定水体 pH 值、水温和溶解氧等指标,化学需氧量、氨氮和生物需氧量等理化指标的测定在实验室按标准方法进行。图 1 采样点布设 Fig.1 Distribution of sampling sites 方尧等 汉江浮游细菌稀有群落的分布与构建机制 311 1.3 DNA 提取及测序 每份样品取两张滤膜置于 2 mL 灭菌离心管中,经液氮速冻后捣碎,使用 FastDNA SPIN Kit for soil 试剂盒(MP Biomedicals,USA)进行 DNA 提取。每份样品进行 35 次 DNA 提取,混合后作为该样品的 DNA 样本。使用 0.8%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA 是否完整,用 NanoDrop 2000(Thermo Fisher Scientific,美国)检测 DNA 浓度和纯度。选用细菌16S rRNA 基因 V4-V5 区域进行 PCR 扩增和 Illu-mina 测序,引物为 515F(5-GTGCCAGCMGCCGC GG-3)-907R(CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3),测序长度为 2250 bp。1.4 数据分析 1.4.1 生物信息学分析 使用 QIIME224对 16S rRNA 基因序列进行生物信息学分析。VSEARCH 25用于合并双端序列与质量控制,Deblur26用于降噪和生成 ASV(Ampli-con Sequence Variants),剔除序列数少于 10 条的 ASV,使用 Classify-Sklearn 方法27进行序列比对和注释,并去除叶绿体与线粒体的 DNA 片段,数据库选用 Silva 138 16S rRNA 数据库(99%聚类)。1.4.2 统计学分析 群落由高丰度的优势种以及低丰度的稀有种构成28。本研究中将所有物种按照相对丰度均值定义为丰富物种(abundant taxa,AT,相对丰度均值高于 0.1%)和稀有物种(rare taxa,RT,相对丰度均值低于 0.01%)。使用 R 语言计算 Richness 指数、Chao1 指数、Shannon 指数和 Pielou 指数等 4 种多样性指数以及PD(phylogenetic diversity,系统发育多样性)、PD/Richness、MNTD(mean nearest taxon distance,平均最近种间距离)和 NTI(nearest taxon index,最近种间距离)等 4 种系统发育指数。如果数据服从正态分布并通过方差齐性检验,则进行 t 检验,否则进行 Wilcoxon 秩和检验。采用 Bray-Curtis 距离表现浮游细菌群落及丰富、稀有物种两两间的差异,通过非度量多维尺度分析(non-metric multid