北极高纬度湖泊核心微生物组的鉴定及其全球分布：对气候变暖下寡营养水生系统微生物生态的启示

本研究首次系统鉴定了北极高纬度清水湖泊的核心微生物组，通过与温带寡营养湖泊对比，揭示了其以广适性淡水细菌为主的特征。该核心微生物组（core microbiome）具有广泛的全球分布性，其组成受环境过滤（DOM特性驱动）而非地理隔离主导，为预测北极水生系统在气候变暖背景下的微生物响应提供了关键生态学依据。

　　

引言

北极湖泊作为气候变化的前哨系统，其微生物群落结构与功能机制尚未被充分认知。本研究利用16S rRNA基因的高通量扩增子测序技术，对比分析了北极清水湖泊与温带寡营养湖泊（加拿大Tantaré湖）的微生物遗传组成，旨在鉴定其核心微生物组并评估其对总分类群的贡献。北极与温带湖泊虽展现出不同的群落组合，但均表现出沿水文连续体（从上游土壤/进水口经湖泊系统至出水口）的相似微生物群落过渡梯度，这一梯度主要受溶解性有机质（DOM）特性驱动。研究进一步发现，北极湖泊核心微生物组具有更高多样性，且两区域间共享的核心类群较少，主要由典型的淡水细菌构成。这些核心类群虽在区域间存在 identity 差异，但多数表现出广适性特征，具有强烈的全球分布性。

研究方法

研究选取加拿大努纳武特地区拜洛特岛（Bylot Island）的8个冰川热喀斯特清水湖及魁北克Tantaré生态保护区的1个温带多盆地寡营养湖为研究对象。采样涵盖水体各分区（表水层、深水层、沿岸带、进水口、出水口）及周边土壤，通过Sterivex滤膜捕获微生物并进行DNA提取。16S rRNA基因V4-V5区经Illumina MiSeq平台测序，使用DADA2流程处理序列并生成ASV表，基于SILVA数据库（v138.1）进行物种注释。通过microbiome包鉴定核心微生物组（定义：在湖泊生境中 prevalence >65% 且相对丰度 >1%，且完全不存在于非湖泊区室），利用MAP数据库进行全球生物地理分布分析。

结果

湖泊学特征显示，北极与温带湖泊在营养盐（NO₃、NH₄、PO₄）、DOC及CDOM等参数上存在显著差异，主成分分析（PCA）表明DOC、营养盐及CDOM（a320）是驱动湖泊间分异的主要因子。微生物群落分析显示，北极湖泊从土壤至湖泊内部呈现alpha多样性递减趋势，而Tantaré湖则保持相对稳定的多样性水平。加权UniFrac PCoA揭示北极与温带湖泊群落结构显著分离（PERMANOVA, p<0.001），但均遵循从陆地向水生环境过渡的相似群落演替模式。

核心微生物组鉴定表明，北极湖泊独有21个属（主要属于Pseudomonadota、Bacteroidota和Actinobacteriota），温带湖泊独有4个属，两区域共享4个属（均为Pseudomonadota）。北极核心微生物组在湖泊总群落中占比达55.3%，远高于温带湖泊的33.1%，且以γ-变形菌纲（41.4%）和α-变形菌纲（13.8%）为主导。全球分布分析显示，核心类群普遍具有广适性，主要分布于全球淡水生境（北极核心：33.3% ±28.4%；共享核心：45.8% ±21.3%），部分类群（如CL500-3、hgcI clade）表现出强烈的湖泊栖息地偏好性。

讨论

本研究首次直接对比了北极与温带寡营养湖泊的核心微生物组，并揭示其全球分布规律。尽管两区域湖泊在理化特性上存在分异，但微生物群落均表现出沿水文连续体的相似组装模式，印证了环境过滤（尤其是DOM特性）的主导作用。核心微生物组以广适性淡水细菌为主，而非嗜冷或寡营养专性类群，暗示其具备对温度波动的潜在韧性（eurypsychrophilic特性）。然而，气候变暖驱动的永久冻土融化及棕色化效应可能通过增加营养输入和陆源微生物输入，间接改变湖泊微生物群落结构，其影响可能远超温度上升本身的直接效应。

结论

北极清水湖泊存在共享的核心微生物组，其组成受湖泊理化特性调控而非地理隔离主导。该类群具有广泛的全球分布性，且以广适性类群为主，表明其对环境变化具有一定韧性。未来北极变暖可能主要通过改变营养输入和水文连通性（而非温度本身）影响这些寡营养湖泊的微生物生态格局。