中国青岛潮间带沉积物中微真核生物群落的年度变化

《Microbiology Spectrum》：Annual changes in the microeukaryotic community in intertidal sediments, Qingdao, China

潮间带泥沙沉积物中微真核生物群落季节及类型差异研究，基于18S rRNA测序和光合参数分析，发现群落结构月变化显著，与环境因子温度、溶解氧、盐度及叶绿素a相关，泥沙沉积物群落特征不同，网络结构夏季峰值，自养型、异养型和杂养型在特定月份达到高峰。

　　微小真核生物群落在潮间带沉积物中扮演着关键角色，它们对于维持生态系统健康和韧性至关重要。这些微生物群落不仅参与了营养循环、有机物分解，还支持了多样化的海洋食物网。然而，关于这些群落在不同季节的变化以及泥沙质沉积物之间的差异，目前研究尚不充分。为了填补这一空白，本研究对泥沙质沉积物进行了为期一年的月度采样，分析了其微小真核生物群落结构，重点关注α多样性、操作分类单元（OTU）组成、群落结构、网络结构以及营养功能群的结构。研究结果表明，群落组成存在显著的月度变化，这种变化与温度、溶解氧（DO）和盐度等环境因素密切相关。物种共现网络分析显示，夏季的相互作用数量和网络密度达到峰值，而在秋季和冬季则有所下降。此外，本研究还突出了泥沙质沉积物中真核生物群落的不同特征。

研究的首要目标是理解微小真核生物群落在不同季节和沉积物类型下的动态变化。通过对潮间带沉积物的月度采样，研究人员能够捕捉到这些群落随时间推移的细微变化。采样点位于中国青岛的两个地点：Licun河口和Zhanqiao海滩。这两个地点分别位于胶州湾内部和外部，具有不同的水文和生态条件。采样工作在低潮时进行，即水位低于90厘米，以便获取沉积物的代表性样本。采样时间为中午和下午，以确保环境条件的稳定性。在采集样本后，研究人员将样本存放在-80°C的环境中以保持其完整性，并在采样现场使用手持多参数仪分析上覆海水的性质，包括水温、溶解氧、总溶解固体、盐度和pH值。同时，通过遥感数据提取了光合有效辐射（PAR）、叶绿素a（chl a）、颗粒无机碳（PIC）和颗粒有机碳（POC）等环境参数。这些数据为研究提供了丰富的背景信息。

为了更深入地理解微小真核生物群落的组成和动态变化，研究人员使用了18S rRNA基因的高通量测序技术。这种方法能够揭示不同季节和沉积物类型下群落的多样性变化。在每个采样月份，每种沉积物类型（泥和沙）都采集了10克的沉积物样本，并将其送往Majorbio公司进行DNA提取、PCR扩增和高通量测序。DNA提取遵循E.Z.N.A.土壤DNA试剂盒的说明，确保了提取过程的高效性。测序后的原始数据经过质量控制处理，使用fastp工具（版本0.19.6）进行过滤和修剪，以去除低质量序列和含有未知碱基（N）的序列。随后，通过FLASH工具（版本1.2.11）合并双端读数，并根据重叠匹配率过滤掉不匹配的序列。最终，通过UPARSE工具在97%的相似度下将序列聚类为OTU，并选择每个OTU中最丰富的序列作为代表序列进行分类注释。使用RDP分类器（基于SILVA数据库，版本138.1/18s_eukaryota）进行分类，并设定置信度阈值为0.70。

研究还利用生物信息学和统计分析方法，进一步探讨了微小真核生物群落的结构特征。通过Shannon指数、Chao 1指数和ACE指数评估α多样性，结果显示α多样性在不同月份和沉积物类型之间没有显著差异。这可能意味着这些群落具有较强的环境适应能力，能够在不同的季节和沉积物类型下维持相对稳定的多样性水平。然而，通过分析相似性分析（ANOSIM）和主坐标分析（PCoA）发现，群落组成在不同月份和沉积物类型之间存在显著差异，表明尽管α多样性稳定，但群落的结构和组成却随环境条件而变化。此外，通过线性判别分析效应大小（LEfSe）方法，研究人员识别出了一些显著区分不同月份和沉积物类型的分类单元（OTU），这些OTU的相对丰度在不同时间点和沉积物类型之间存在明显差异。

在共现网络分析中，研究发现微小真核生物群落的相互作用数量和网络密度在夏季达到峰值，而在秋季和冬季则有所下降。这种季节性变化可能与生物活动的增强和营养物质的丰富有关。夏季的温暖气候和较长的日照时间促进了微小真核生物的代谢活动和生长速率，从而增加了群落间的相互作用。相反，秋季和冬季的低温和较短的日照时间可能导致生物活动减少，进而影响网络的复杂性和密度。此外，泥质和沙质沉积物之间的比较也显示了相似的相互作用密度，但泥质沉积物在Licun站点表现出更高的网络密度，而沙质沉积物在Zhanqiao站点则表现出相反的趋势。这可能与两个站点的水化学条件、沉积物组成和水动力条件的差异有关。

在环境因素方面，研究发现温度、溶解氧和叶绿素a对泥质沉积物中的微小真核生物群落具有显著影响，而溶解氧、叶绿素a和颗粒有机碳（POC）则是沙质沉积物中重要的影响因素。这些环境参数的变化与群落的组成和功能密切相关，例如，温度的升高可能促进某些真核生物的生长，而溶解氧的减少则可能限制其生存。此外，盐度的变化也可能对群落的分布产生重要影响，因为盐度是许多生物适应的重要环境因子。通过Mantel检验，研究人员确认了这些环境因素与群落结构之间的显著相关性，进一步验证了它们对微小真核生物群落的影响。

研究还分析了自养型、异养型和兼养型生物在不同季节和沉积物类型下的响应。尽管沉积物类型对这些营养功能群的相对丰度没有显著影响，但月份的变化对它们的丰度产生了显著影响。例如，自养型生物的丰度在六月达到峰值，而异养型生物则在十二月最为丰富，兼养型生物则在九月至十一月期间表现出较高的丰度。这种动态变化可能反映了不同季节下环境条件对这些生物的促进或抑制作用。六月的高光照和温度可能有利于自养型生物的光合作用，而十二月的丰富有机物和营养物质则可能促进了异养型生物的生长。九月至十一月的过渡期可能提供了适宜的环境条件，使得兼养型生物能够充分利用光合作用和异养作用的资源。

在光合参数方面，研究聚焦于微藻（如硅藻和甲藻）的光合效率（α）、最大相对电子传递率（rETRmax）、最大量子产率（Fv/Fm）和光适应指数（Ek）。这些参数的变化反映了微藻在不同季节和沉积物类型下的光合能力和适应性。例如，十二月的高α、rETRmax和Fv/Fm值可能与冬季有限的光照条件下的进化适应有关，使得这些微藻能够最大化其光合输出。而二月和八月的低α、Fv/Fm和rETRmax值则可能与较低的光照条件和寒冷的温度有关。尽管二月和八月的光照条件不同，但研究发现，微藻的相对丰度在这些月份反而较高，这可能与其快速的生长能力和对环境变化的适应有关。

研究还探讨了泥质和沙质沉积物中微藻的丰度及其光合参数的变化。尽管两种沉积物类型中微藻的光合参数相似，但沙质沉积物中微藻的相对丰度更高。这可能是因为沙质沉积物提供了更快的排水和更好的氧气供应，从而更有利于这些微藻的生长。此外，研究发现，泥质沉积物中的硅藻和甲藻在某些月份表现出更高的丰度，这可能与它们对营养物质的高需求和对泥质环境的适应能力有关。然而，沙质沉积物中的微藻可能更适应于快速变化的环境条件，如较高的溶解氧水平和较快的排水速度。

综上所述，本研究通过月度采样和高通量测序技术，揭示了潮间带沉积物中微小真核生物群落的季节性变化及其对环境因素的响应。这些发现不仅有助于理解微小真核生物群落的生态功能，还为预测全球环境变化对这些生态系统的影响提供了重要的基础。此外，研究还强调了泥沙质沉积物之间的差异，指出这些差异可能影响微小真核生物的分布和丰度。通过分析这些群落的结构和功能，研究人员能够更全面地了解潮间带生态系统的动态变化，为生态保护和资源管理提供科学依据。