原名：Stochastic processes shape microeukaryotic communityassembly in a subtropical river across wet and dry seasons

译名：随机过程主导亚热带河流微型真核浮游生物群落构建

期刊：Microbiome

IF：10.465

发表时间：2019

通讯作者：杨军

作者单位：中国科学院城市环境研究所

群落聚集的深层机制(确定性和/或随机过程)是微生物生态学的核心挑战。然而，这些过程在形成河流微型真核浮游生物地理的相对重要性仍然知之甚少。我们利用18S rRNA基因的高通量测序和多元统计分析方法对湿季和干季微型真核浮游生物群落的时空差异和生物地理模式进行比较。

结果表明：

① 汀江干季（枯水期）和湿季（丰水期）的微型真核浮游生物群落组成存在明显差异，浮游生物群落的季节变化大于空间变化，稀有种和优势种具有相似的地理分布格局；

② 汀江微型真核浮游生物群落具有距离衰减效应，干季生物群落的距离衰减效应更强。

③ 进一步分析发现，随机过程主导了汀江微型真核浮游生物群落构建，湿季随机过程的相对贡献更大，不同分类阶元水平的群落构建具有相同的规律。群落中性模型显示，随机（中性）分布的物种和非随机分布的物种具有不同的多样性和生态特征。

该研究揭示了不同水文条件下随机过程主导构建河流微真核亚群落的重要作用，从而更好地理解亚热带河流微型真核浮游生物的时空变化、地理分布格局及群落构建机制，为解析水域生态系统结构和功能稳定性等问题提供了新视角。

实验设计

1.研究区域、采样

本研究以福建上杭县汀江沿岸为研究区域，2015年7月（雨季）和11月（旱季）分别采集了30个地表水样品(深度0.5 m)(图1)，两个季节的样本均在5天内采集完毕。采集的样品被立即送往实验室进行处理用于微型真核浮游生物群落分析。

图1：汀江干湿季节采样点示意图。2015年7月和11月共采集地表水样品60份。汀江采样点地图运用ArcGIS 10.1软件绘制而成(ESRI, Redlands, CA, USA)

2.优势和稀有微型真核浮游生物的定义

在该研究中，定义1%为优势种的阈值，0.01%为稀有种的阈值。并根据OUT的丰度将其分为6个类群(AAT, CAT, MT, ART, CRT,CRAT)。1）优势种(AT)：定义为该OUT的序列丰富度在所有样品中都大于1%；2)稀有种(RT):定义为该OUT的丰度在所有样品中都小于0.01%;3)中间种(MT)：定义为该OUT序列丰度在所有样品中介于0.01%-1%；4)条件稀有种(CRT):定义为该OUT序列丰度在所有样品中都小于1%之间，但在有的样品中小于0.01%;5)条件优势种(CAT):定义为该OUT的序列丰富度在所有样品中都大于0.01%，但在有的样品中大于1%；6)条件优势或稀有种定义(CRAT)；为该OUT序列丰度在样品中从小于0.01%到大于1%都存在。该研究中,人为地把AAT,CAT和CRAT这三个类群合并起来作为丰富的类群开展进一步分析，并将其统称为“优势种”。

结果

1.干湿季节微型真核浮游生物群落组成比较

PCoA分析和ANOSIM测试表明，微型真核浮游生物群落组成(包括总体物种、优势种、总是稀有种和条件稀有种)在干季和湿季均表现出明显的分离(R > 0.423, P = 0.001；图2)。在干湿两个季节微型真核浮游生物群落组成存在显著差异。

图2：微型真核浮游生物群落的Beta多样性(All：总体物种；Dominant：优势种；ART：总是稀有种；CRT：条件稀有种；Wet：湿季；Dry：干季)。

2.微型真核浮游生物群落组成相关的环境和空间因素

微型真核浮游生物群落组成的两种不同的空间预测因子(采样点间的树状距离和欧氏距离)显示出相似的结果(图3)。无论旱季还是雨季，基于Bray-Curtis群落相似性和地理距离之间均存在显著的负相关关系(P < 0.01;图3)。此外，总是稀有类群和条件稀有种的生物地理特征与优势种和总体物种的生物地理特征相似。河流微型真核浮游生物的Bray-Curtis相似性(从属到界级)与两种空间距离(树状距离和欧式距离)之间的Spearman秩相关也显示出显著的距离-衰减关系。不同分类阶元水平微型真核浮游生物群落同样展现出显著的距离衰减效应，群落的差异性随地理距离的增加而增加，这表明这些不同的微型真核浮游生物类群在不同的水文环境下存在明显的差异（旱季和雨季)表现出大致相似的空间格局。相对于湿季，干季的衰减效应更强(图3)。

图3：微型真核浮游生物群落距离衰减关系（All：总体物种；Dominant：优势种；ART：总是稀有种；CRT：条件稀有种；Wet：湿季；Dry：干季）。优势种包括AAT、CAT和CRAT。AAT,总是优势种；CAT,条件优势种；CRAT,条件优势或稀有种；ART,总是稀有种；CRT,条件稀有种。

3.群落构建的中性模型

群落中性模型(NCM)成功地估计了OTUs发生频率与相对丰度变化之间的大部分关系，分别解释了湿季、干季和总体微型真核浮游生物89.9%、88.5%和89.6%的群落变化（图4）。

图4：中性模型拟合微型真核浮游生物群落。模型预测周围蓝色虚线表示95%置信区间，OTUs出现的频率比NCM预测的多或少，用不同的颜色表示。Nm参数决定了发生频率与区域相对丰度之间的相关关系。

4.随机（中性）和非随机分布物种的生态差异

在任何季节，基于微真核分类单元在聚集群落中的总体丰度，它们的出现频率都比NCM预测的多或少(高于或低于中性预测) (图5)。我们认为与中性预测有显著差异的类群是由于它们的迁移或扩散能力不同造成的。随机分布和非随机分布微型真核浮游生物群落的物种组成、多样性和丰度存在明显差异(图5)。对于湿季、干季和总体而言，我们将集合群落分成三个部分，包括在上、下和中性的分区中发现的OTUs，并基于分区之间的Bray-Curtis相似性分析了非度量多维标度排序((NMDS)。结果清楚地表明，在湿季(global R = 0.891)、干季(global R = 0.895)和两季(global R = 0.976)微型真核浮游生物的上、下和中性分区的群落组成差异显著(P < 0.01)(图5a)。此外，集合群落的非中性部分也比中性部分具有更大的异质性。超群水平上的微型真核浮游生物OTUs和序列号的比例表明，干季和湿季中性组分的丰富性和丰度比例均显著高于上、下组分(图5b, c)。

图5：随机分布和非随机分布微型真核浮游生物群落具有不同的物种组成、多样性和相对丰度。a)基于Bray-Curtis相似性的非度量多维标度排序; b)用斯隆中性模型拟合微型真核浮游生物群落OTU和序列号的比例; c)丰富性(OTU数)与丰度(序数)在枯水期微真核超群中的明显拟合比例. wet, dry, and all分别代表湿季、干季和两个季节的微型真核浮游生物群落。

讨论

1.河流生态系统微型真核浮游生物群落的时空格局

微型真核浮游生物在不同水文条件下的生物地理学研究在河流生态系统中受到的关注较少。我们的研究有助于了解微型真核浮游生物的时空模式，并揭示其潜在的过程和机制。PCoA分析表明，同一季节的微型真核浮游生物群落聚集在一起，表明干湿季节的微型真核浮游生物群落组成明显不同。原因有几点：第一，这一结果可能是由于两个季节之间的环境和水文条件不同。在本研究中，两个季节的某些环境因素(如温度、浑浊度和pH值)存在显著差异；第二，包括微生物在内的淡水浮游生物的季节性演替受到各种外部因素和内部相互作用的影响，如物理化学因素和物种相互作用等；第三，不同研究位置的群落分布差异表明，随机过程(如扩散和漂移)影响了微型真核浮游生物群落的聚集。更重要的是，河流下游的流动会导致大量的微生物扩散，尤其是在雨季，这将导致beta多样性大大降低。此外，降雨事件可能会冲洗周围系统中的微生物，增加了湿季生物的多样性，进而改变了群落组成。因此，不同的环境、生物和空间条件之间的相互作用可以形成汀江流域独特的群落组成。

2.优势种，总是稀有种和条件稀有种微型真核浮游生物的相似生物地理特征

已有研究表明，某些稀有类群在环境中具有代谢活性，可能是调节水生生境功能的关键类群。条件稀有类群(CRT，在特定环境下通常罕见的类群，在条件足够时有时达到普遍)已经被报道，它们可以解释微生物群落结构的巨大时间变化。我们的数据表明，ART和CRT在旱季和雨季都表现出相似的生物地理特征，具有优势群落和完整群落(图3)。稀有生物圈的生物地理模式清楚地表明，“万物皆在”的格言并不适用于这里。这说明河流微型真核浮游生物并不是像之前认为的那样分布在世界各地，因此在稀有生物圈中存在着分散的障碍。这可能是因为相邻的河流有着相似的环境条件。这也表明这些群体对环境和空间的敏感性不相上下，他们对环境和空间变化的反应也是相似的。

相对于湿季，汀江干季的距离衰减效应更强。这是因为微型真核浮游生物浮游生物在雨季的扩散限制较小。与大型生物相比，微生物由于体积较小而更容易分散，而且它们无法抵消水流的单向运动。我国亚热带河流夏季(雨季)降雨多，水位高，流量大。径流量的增加会导致河流水体生境的同质化及增加河流的连通性，在雨季微生物更容易随水流被动地分散到遥远的地方。相反，而干季河流连通性较弱，导致浮游生物的扩散限制更强，由此导致更强的距离衰减效应。此外，大坝可能导致流速下降，这在旱季尤其值得注意。这些大坝会导致河流下游缺水，降低旱季河流连通性，从而促进微型真核浮游生物群落微生境的异质性。

3.随机过程主导微型真核浮游生物群落的构建

研究结果清楚地揭示了随机过程在形成微型真核浮游生物群落聚集中的突出作用。NCM估计了一个主要的群落变异，这表明微型真核浮游生物的损失和获得之间(如随机出生、死亡和迁移)的随机平衡对形成它们的群落组合至关重要。在干季和湿季，浮游生物群落的距离衰减模式显著增强，进一步证实了随机过程的重要性。

我们发现随机过程对微型真核浮游生物的影响更强。此外，在微型真核浮游生物群落迁移率方面，雨季的m值高于旱季表明大多数微型真核浮游生物类群在雨季的扩散能力高于旱季。这些结果可能是由于雨季的生境同质性和河流连通性高于旱季，而雨季的距离衰减关系较弱。降雨事件和高的河流连通性可以增加微生物跨空间迁移和成功建立的可能性，导致微型真核浮游生物在雨季的迁移率更高。高扩散率可以部分地压倒环境选择和生态漂移。浮游生物分布范围广，对群落的空间影响相对较小，说明在湿季扩散限制对微型真核浮游生物群落的空间周转率影响较小。

4.随机（中性）分布和非随机分布之间的差异

中性模型并没有解释100%的浮游生物群落变化，表明其他的群落构建过程与机制同时存在，导致了非随机分布的产生。这些其他的机制包括环境选择和物种间的相互作用，这仍然很难量化它们对微型真核浮游生物的相对贡献。中性模型分析将群落中物种划分为两类：随机（中性）分布和非随机分布的类群。两个类群具有不同的物种组成、多样性和丰度，这些群落的非随机分布可能是由于类群间的扩散能力不同造成的。因此，根据不同的迁移率分区可能会改进中性预测。迁移速率反映了物种的扩散能力，是指示NCM的重要指标。这些结果表明，较高的分散率使该模型在雨季具有较好的拟合性。此外，除了迁移率(随机过程的分散)之外，环境因素(确定性过程)等其他因素也可以在本研究中将类群分为随机和非随机两类。我们的Mantel试验表明，在干湿季节集合群落的随机和非随机分布分别与一些不同的环境因素显著相关。环境因素(如水温，营养浓度和重金属)已经被证明对微生物群落组成有显著的影响，进而影响浮游微生物的相对丰度和出现频率，从而导致浮游微生物的随机和非随机分布。今后还需要进一步研究其他也可以将类群分为随机和非随机分布类群的因素。

评论

本研究为微型真核浮游生物群落的时空模式、过程和机制提供了更好的理解，并揭示了在不同水文状态下亚热带河流中微真核群落聚集的随机过程的重要性。为了全面了解微型真核浮游生物群落的构建机制，建议未来的微生物群落生态学研究者应考虑采样尺度效应(空间范围和时间尺度)、更重要的解释性决定性因素(如不可测的环境因素和物种间的相互作用)和其他可能的随机因素。