中游长江及其相连湖泊中细菌、真菌和古菌群落的组装过程及网络特征

《Frontiers in Microbiology》：The assembly processes and network characteristics of bacterial, fungal and archaeal communities in the middle Yangtze River and river-connected lakes

本研究分析长江中游干流及洞庭湖、鄱阳湖中细菌、真菌和古菌群落的空间异质性。发现湖泊沉积物微生物多样性显著高于河流，群落组装以随机过程（扩散限制）为主，水文连通性影响共现网络结构，关键物种分布存在差异，揭示了水文条件对微生物群落的关键作用。

　　本研究聚焦于长江中游流域（MYR）及其两大相连湖泊——洞庭湖（DTL）和鄱阳湖（PYL）中的细菌、真菌和古菌群落的生物地理分布模式、群落构建过程以及共现网络特征。这些微生物在河流和湖泊生态系统中发挥着关键作用，它们参与营养物质的转化、有机物的分解以及能量流动等生态过程。然而，目前对于这些微生物群落在大型、水文相连的河流—湖泊系统中的相互作用和动态变化仍然了解有限。通过系统分析高水位和低水位时期的水体与沉积物样本，本研究揭示了不同水体环境对微生物群落多样性与组成的影响，为理解这类生态系统中微生物生态学的复杂性提供了新的视角。

在河流和湖泊中，微生物群落的多样性呈现出显著的空间异质性。研究发现，湖泊中的沉积物微生物多样性明显高于河流。这种差异可能与湖泊中更长的水体停留时间、更稳定的环境条件以及更多的营养物质积累有关。此外，不同水体中微生物群落的构建机制也有所不同。总体来看，随机过程（尤其是扩散限制）在所有研究地点中都占据主导地位，这表明微生物群落的形成在很大程度上受到地理扩散能力的限制。而在湖泊中，尤其是浮游细菌和古菌群落，确定性过程（如同质选择）的影响更为显著。这可能是由于湖泊环境中的稳定条件更有利于特定微生物的繁殖和生存，从而减少了随机性对群落构建的主导作用。

研究还通过共现网络分析，探讨了不同微生物类群之间的相互作用模式。结果显示，在鄱阳湖（PYL）中，跨域合作（即细菌、真菌和古菌之间的互动）更为普遍，而在长江中游（MYR）和洞庭湖（DTL）中，同域合作（即同一类群内部的互动）更为常见。这种差异可能与湖泊与河流之间的水文连通性有关。鄱阳湖由于其相对独立的水体流动和较长的水停留时间，可能为微生物提供了更为稳定的生存环境，从而促进了跨域合作的发生。而长江中游和洞庭湖由于频繁的水文波动和较强的水体流动性，导致微生物群落的构建更多依赖于随机扩散和同域竞争。

此外，研究还发现，河流与湖泊之间的微生物群落结构存在显著差异。在长江中游，微生物群落的构建更多受到地理扩散的限制，而在湖泊中，环境因素对群落组成的调控作用更为明显。例如，在湖泊中，某些微生物类群（如古菌中的Crenarchaeota）表现出更高的相对丰度，这可能与湖泊中更丰富的营养物质和更稳定的环境条件有关。而河流中的微生物群落则更倾向于由快速繁殖的细菌类群（如Actinobacteriota和Proteobacteria）主导，这些类群在高流速的环境中具有更强的适应能力。

在探讨微生物群落的构建机制时，研究发现地理距离对微生物群落差异的解释力远高于环境变量。这表明，在河流和湖泊之间，地理扩散限制是影响微生物分布和群落结构的重要因素。尽管环境变量（如温度、pH值、溶解氧和营养物质浓度）也对微生物群落产生影响，但其作用更多体现在局部环境的选择压力上。相比之下，地理扩散的限制则影响了整个群落的构建过程，特别是在河流与湖泊之间，由于水文连通性不同，微生物的扩散路径和速率也存在差异，从而导致了不同的群落结构。

研究还揭示了微生物群落中“关键类群”（keystone taxa）的组成差异。在长江中游，关键类群主要由低丰度的微生物组成，而湖泊中的关键类群则包括一些相对丰度较高的类群。这种差异可能与湖泊和河流之间不同的水文条件和生态功能有关。例如，湖泊中的微生物群落可能更依赖于特定的环境条件和资源供应，而河流中的微生物群落则更倾向于通过随机扩散和环境适应来维持其多样性。

本研究的结果对理解大型河流—湖泊生态系统中微生物群落的构建机制和生态功能具有重要意义。它不仅揭示了水文连通性和流动动力学对微生物多样性的影响，还为相关生态系统的管理和保护提供了科学依据。通过分析微生物群落的共现网络，研究发现湖泊中的微生物群落具有更高的复杂性和连接性，这可能与其稳定的水文条件和丰富的资源供应有关。而河流中的微生物群落则表现出更强的随机性，这可能与频繁的水文波动和较强的环境变化有关。

本研究还强调了人类活动对微生物群落的影响。例如，工业废水排放和农业非点源污染可能导致湖泊中营养物质的富集，从而增加富营养化风险。此外，水坝等水利工程的建设也可能改变河流与湖泊之间的水文连通性，进而影响微生物的扩散和群落结构。因此，在制定水文管理策略时，需要充分考虑这些因素对微生物生态的影响。

总的来说，本研究通过高通量测序和共现网络分析，揭示了长江中游流域及其相连湖泊中微生物群落的多样性、构建过程和生态功能之间的复杂关系。这些发现不仅有助于理解微生物在水文动态下的适应机制，也为保护和恢复大型河流—湖泊生态系统提供了重要的科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同季节和年份的微生物群落变化，以及人类活动对微生物群落的具体影响，从而为生态系统的可持续管理提供更全面的指导。