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而古菌的主要物种分布空间异质性比细菌首要物种低,柳江河网、河口是特殊的生态系统

作者:三农资讯    来源:未知    发布时间:2020-01-16 10:42    浏览量:

2016年12月14日,淡水渔业研究中心渔业环境保护研究室在自然出版集团旗下综合类刊物《ScientificReports》在线发表了长江感潮段上部区域水中浮游细菌和浮游古菌空间分布状况的最新研究成果。

微生物菌群的时空分布系生物地理学核心内容,也是目前微生物生态研究的热点课题。近日,中国科学院昆明动物研究所“计算生物与医学生态学”课题组博士生李连伟应用“多样性-面积”模型(DAR模型:Diversity-Area Relationship),重新分析了加拿大学者收集全球160多处温泉的宏基因数据(Sharpe et al. 2014, the ISMEJ),首次建立温泉微生物多样性变化的生物地理模型,并从中揭示了一些重要发现,特别是首次发现细菌和古菌在空间异质性方面的显著差别。细菌和古菌在系统生物学“分界”已经超过半个多世纪,但对于他们在生物地理学分布的差异研究并不多见。其主要原因是,在宏基因测序技术大量采用之前,要进行大规模、全球规模的微生物物种分布调查并不现实。因此,该研究为进一步研究细菌和古菌在生态适应方面的差异具有重要意义。同时,该研究所建立的一系列数学模型本质上勾画出了温泉微生物多样性分布最重要的特征“地图”(Biogeographic maps)。

浮游细菌在水生生态系统生物地球化学循环中具有极其重要的作用,浮游细菌是河口水生态系统中的物质和能量循环系统中的关键环节。珠江河网、河口是独特的生态系统,一方面受上游径流的影响,同时也受潮汐海水顶托的影响,掌握其物质和能量循环的关键特征,是河网、河口生态系统安全保障和渔业水域保护与利用的关键。水域浮游植物、有机腐植质一方面由水生动物利用,另一些需要浮游细菌菌群分解,珠江所渔业环境保护研究室麦永湛博士根据团队工作需要, 对珠江八大口门浮游细菌群落以及环境因子间的关系进行研究,分析了表层水浮游细菌群落的 β-变形菌、必赢官方网站437 ,γ-变形菌和 α-变形菌等的组成,获得浮游细菌物种多样性具有明显的季节差异结果,其中冬季 α 多样性指数在呈上升趋势(冬季Chao1指数1486.76±456.52;夏季Chao1指数762.51±162.48);发现温度、电导率、盐度是驱动珠江口浮游细菌群落结构时空变化的主要环境因子;氨基酸、碳水化合物以及能量代谢的功能活性在冬季受到抑制,而涉及膜转运,细菌迁移蛋白以及外源性物质的生物降解的功能基因相对丰度在冬季呈上升趋势,说明珠江河口水文条件的时空变化引起的环境压力可能加剧浮游细菌群落的种内和种间竞争,在河口浮游细菌群落功能研究上取得进展。以上研究成果发表在Marine Pollution Bulletin(Volume 136, November 2018, Pages 309-321)。

该研究依托于农业部长江下游渔业生态环境监测中心的研究平台,所涉及的长江感潮段上部区域是潮流界和潮区界之间的区域。尽管海水没有直接进入到该区域,但是受到潮波及径流的联合影响,该区域的河流水文特征比较特殊。加之河岸沿线分布着多个经济发达的城市,使得该区域存在着大量能够带来空间异质性的要素。研究这个区域的浮游细菌和浮游古菌的空间分布特征,不仅能够丰富浮游细菌和浮游古菌的水生态学资料,而且可以从生物学的角度来量化这个区域的空间异质性特征,甚至分解出人为因素的影响。

该研究采用的“多样性—面积”DAR模型来自于昆明动物所研究员马占山近年来对于经典“物种—面积关系”(SAR:Species Area Relationship)的一系列扩展。SAR模型有上百年历史,被广泛认为是生物地理学和保护生物学最重要的理论模型之一。马占山采用以Renyi熵为基础推导出来的“希尔数”(Hill Numbers)作为通用的“多样性指数”取代SAR模型中的“物种数”,从根本上解决了传统SAR存在的一些缺陷。并根据幂法则所具备的尺度恒定理论(Scale-Invariance)推导出了另外三项重要参数:多样性重叠参数(PDO: Pair-wise Diversity Overlap)、累计多样性最大值(MAD: Maximal Accrual Diversity),以及“局部-地区”(LRD/LGD: Local to Regional/Global Diversity)比率参数。这些参数可以用来构建前文提到的生物多样性分布的特征地图。

研究发现,该区域浮游细菌和浮游古菌群落从上游到下游均呈规律性线性分布特征。其中水中硝酸根和硫酸根的浓度对于这样的分布特征具有显著的影响。这可能与江水经过沿岸城市区域后逐渐累积的“酸雨”有关,因此这样的分布特征具有了城市化进程的痕迹。同时研究还表明,对于该区域存在的空间异质性,细菌群落比古菌群落具有更为敏感的响应。

应用“多样性—面积关系”DAR模型对温泉中古菌和细菌数据分析,比较了古菌和细菌的空间分布模式,发现古菌总体比细菌总体的空间分布异质性更高,而古菌的主要物种分布空间异质性比细菌主要物种低。多样性重叠参数显示高阶多样性在区域之间的重叠度更高,即高阶多样性的空间异质性更低。通过累计多样性最大值估计出温泉中古菌近8400种,细菌多达55000多种,是古菌的6倍。LGD揭示,平均水平上,单一温泉所含有的古菌仅占全球范围所有温泉中所含古菌的1.25%,细菌约占全球范围的1.52%,这也是环境微生物空间分布高度异质性的佐证。这些关于温泉微生物多样性分布特征的参数都是首次揭示。

研究论文题目为“SpatialdistributionofplanktonicbacterialandarchaealcommunitiesintheuppersectionofthetidalreachinYangtzeRiver.”。第一作者为范立民助理研究员,并列第一作者为宋超助理研究员,通讯作者为陈家长研究员、胡庚东研究员。《ScientificReports》期刊影响因子5.228。论文网址必赢官方网站437 1

该研究成果以Global Microbiome Diversity Scaling in Hot Springs With DAR (Diversity-Area Relationship) Profiles为题,发表在Frontiers in Microbiology上,李连伟为文章的第一作者,马占山为文章的通讯作者。

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