羽毛微生物组景观：亚南极生态系统中物候与生物地理共同塑造迁徙海鸟的羽毛微生物特征

本文通过分析麦哲伦企鹅（Spheniscus magellanicus）繁殖周期三个物候阶段（求偶、产卵、育雏）在五个环境异质性巢区的羽毛、巢土及海水微生物群落，揭示了亚南极生态系统中物候变化与地理变异如何协同塑造海洋野生动物微生物特征。研究发现羽毛微生物核心菌属（如Psychrobacter）的丰度受物候阶段和巢区地理位置的显著调控，并首次在动物宿主中验证了岛屿生物地理学理论（如面积-多样性正相关、距离-衰减模式），为理解环境季节性波动和空间异质性对宿主-微生物互作的影响提供了新视角。

　　

1 引言

季节性变化驱动野生动物行为、生理和形态的物候现象，而亚南极环境（如麦哲伦海峡）存在剧烈的温度、降水和风速等季节性波动。环境季节性通过改变土壤和海洋微生物库的组成，进一步影响野生动物相关微生物群落。麦哲伦企鹅作为广泛分布于南美洲南部的迁徙海鸟，其繁殖物候周期（求偶期10月、产卵期12月、育雏期次年1-2月）伴随显著的环境暴露度变化，为研究地理变异与物候对宿主微生物组的交互作用提供了理想模型。本研究通过细菌16S rRNA（V3-V4区）高通量测序，分析五个巢区（Contramaestre、Monmouth、Rupert、Tuckers 1、Tuckers 2）的羽毛、巢土和海水微生物群落，探讨以下假设：若物候变化影响羽毛微生物组，则其α多样性和组成应随繁殖阶段更替而改变；反之则保持稳定。

2 材料与方法

2.1 研究区域

五个巢区具有异质性的气候和植被特征（表1）。Contramaestre巢区位于麦哲伦海峡东侧，属寒冷草原气候，植被稀疏；Tuckers两个小岛巢区邻近道森岛，具苔原气候，但Tuckers 2巢区企鹅巢穴位于南洋杉（Nothofagus）林内，植被覆盖密集；Monmouth和Rupert巢区靠近太平洋出口，属冷温带气候。巢区面积（7.2–87.5公顷）和种群规模（22–13,000对繁殖个体）差异显著。

2.2 环境数据收集

通过三个气象站监测温度、相对湿度、风速和降水（表2）。Contramaestre巢区降水最低，育雏期温度和风速最高；太平洋区域（Monmouth、Rupert）温度最低但降水和湿度最高；南部区域（Tuckers巢区）环境参数介于二者之间。

2.4 样本采集与处理

在三个物候阶段共采集206份样本（羽毛、巢土、海水）。羽毛样本通过切割或拭子法获取，巢土使用无菌试管收集，海水通过过滤3升水体获得。样本暂存于环境温度后转入液氮，最终保存于-80°C。

2.5 DNA提取与测序

使用FastDNA SPIN Kit提取DNA，设置阴性对照和模拟群落（含Bacillus和Domibacillus）进行质控。扩增16S rRNA V3–V4区后，通过Illumina MiSeq平台进行双端测序。

2.6 ASV推断与数据分析

使用DADA2流程处理序列，剔除叶绿体、线粒体及单一样本ASV，通过decontam包去除污染物。样本标准化至30,625条序列后进行多样性分析（Shannon指数）、核心菌群鉴定（≥90%样本 prevalence）、Beta多样性（Bray-Curtis距离）和PERMANOVA检验。采用贝叶斯模型分析Psychrobacter和Deinococcus的相对丰度变化。

3 结果

3.1 环境季节性特征

各巢区环境参数在物候阶段间差异显著（p < 0.001），但求偶期Contramaestre与Tuckers巢区的温度和风速无显著差异（p > 0.05）。

3.2 微生物分类组成

羽毛微生物以Moraxellaceae科为主导（Psychrobacter属丰度最高），Monmouth巢区则以Flavobacteriaceae为主。巢土优势菌为Micrococcaceae（Contramaestre）或Flavobacteriaceae（其他巢区）。模拟群落仅检出Bacillus和Domibacillus。

3.3 核心微生物群

鉴定出7个羽毛核心菌属（Arthrobacter、Pedobacter、Psychrobacter等）和5个巢土核心菌属（Tomitella、Arthrobacter等）。Psychrobacter在羽毛中相对丰度最高。

3.4 物候对微生物特征的影响

α多样性：仅在Rupert巢区，羽毛微生物Shannon多样性从产卵期到育雏期显著增加（p = 0.014）。

菌属动态：Psychrobacter相对丰度在Contramaestre和Rupert巢区随物候进展下降（分别降低8.8%和9.6%），而Deinococcus在相同巢区呈上升趋势（增幅0.24%~0.38%）。Tuckers巢区两类菌属波动较小，可能与森林缓冲环境波动有关。

Beta多样性：所有巢区羽毛和巢土微生物组成均受物候显著影响（PERMANOVA，p = 0.001），但Tuckers 2巢区在产卵期羽毛与巢土微生物组成无差异（p = 0.328）。

3.5 地理格局的调控作用

α多样性：育雏期大型巢区（Rupert、Monmouth）的羽毛微生物多样性显著高于小型巢区（p < 0.05），符合岛屿生物地理学预测。

菌属地理分布：Deinococcus在求偶期和育雏期于Rupert巢区丰度最高，产卵期在Tuckers 1巢区最高；Psychrobacter在Contramaestre巢区（高风速、低植被）丰度最高，可能与气溶胶传播有关。

距离-衰减模式：产卵期（R = -0.65, p < 0.001）和育雏期（R = -0.33, p = 0.023）羽毛微生物相似性与巢区离大陆距离呈负相关。

4 讨论

4.1–4.4 物候与地理的交互效应

物候通过行为变化（如育雏期环境暴露增加）驱动羽毛微生物α多样性动态，与两栖类、哺乳类皮肤微生物研究一致。Psychrobacter（嗜冷菌）的物候性下降可能反映温度升高对狭温菌群的筛选，而Deinococcus（耐辐射菌）的增加可能与亚南极紫外线辐射增强相关。地理变异进一步调控上述效应：植被密集巢区（如Tuckers 2）缓冲了环境波动，导致微生物组成更稳定；而裸露巢区（如Contramaestre）微生物周转更显著。

4.5 岛屿生物地理学理论的验证

研究首次在动物宿主微生物组中验证了经典理论：较大巢区（如Rupert）在育雏期拥有更高微生物多样性（面积效应）；微生物相似性随巢区远离大陆而降低（距离效应）。这些模式由环境异质性（如降水、温度梯度）和微生物扩散限制共同驱动。

4.6 对野生动物的启示

研究结果适用于分布广泛的迁徙物种（如鲸类、信天翁），强调在评估物候对微生物组影响时需整合地理变异参数。未来可关注气候变暖对嗜冷菌（如Psychrobacter）和耐热菌（如Deinococcus）丰度轨迹的长期影响。

5 结论

物候与地理协同塑造麦哲伦企鹅羽毛微生物组的多样性、核心菌属丰度和群落结构。研究为理解海洋宿主-微生物对环境变化的响应机制提供了多尺度视角。