结合16S rDNA与rRNA测序揭示东海南部原核浮游生物群落结构与代谢活性的时空动态特征

本研究通过同步分析16S rDNA（基因组水平）和16S rRNA（转录水平），揭示了东海南部原核浮游生物群落的多样性、活性及环境驱动机制。研究人员采用高通量测序技术对60个样本进行跨季节、跨水层分析，发现rRNA检测到的ASVs（扩增子序列变异体）比rDNA多45%，且仅12%-52%的ASVs在两者间重叠。关键发现包括：硝化螺菌纲（Nitrososphaeria）和酸微菌纲（Acidimicrobiia）在DNA水平占主导，而α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）和拟杆菌纲（Bacteroidia）在RNA水平更活跃；rRNA:rDNA比值分析表明，富营养型类群（如γ-变形菌纲）比值>1，寡营养型类群（如α-变形菌纲）比值<1。该研究为海洋微生物功能动态提供了新见解，发表于《Scientific Reports》。

　　

海洋微生物是地球化学循环的关键驱动者，但其群落活性与功能的时空动态长期存在认知空白。传统基于16S rDNA的测序虽能揭示物种组成，却无法区分活跃与休眠细胞。东海作为西北太平洋重要的陆架海，受沿岸流、黑潮等多重水团影响，微生物群落对环境变化的响应机制尚不明确。

国立成功大学生物科技与生物产业科学系的研究团队在《Scientific Reports》发表论文，首次通过同步分析16S rDNA和16S rRNA，解析了东海南部原核浮游生物群落结构与活性的时空分异。研究采集春、秋、冬三季四个水层（表层、叶绿素最大层、中层和底层）的60个样本，生成120个测序数据集。通过DADA2算法生成ASVs，计算rRNA:rDNA比值作为活性指标，并结合环境因子进行多变量分析。

关键技术包括：（1）同步提取DNA/RNA并逆转录cDNA；（2）Illumina MiSeq平台双端测序（2×300 bp）；（3）Silva 138数据库分类ASVs；（4）Bray-Curtis和加权UniFrac距离分析β多样性；（5）距离冗余分析（dbRDA）解析环境驱动因子。

ASV组成差异

rRNA检测到4,319个ASVs，显著多于rDNA的2,959个。季节间ASVs重叠率<20%，且秋季多样性最低。仅14%-51%的ASVs在局部群落中同时出现于rDNA和rRNA数据，表层重叠率高于底层。

分类组成分化

DNA主导类群为硝化螺菌纲（28.7%）和酸微菌纲（22.3%），而RNA中γ-变形菌纲（31.2%）、α-变形菌纲（18.5%）和拟杆菌纲（19.3%）占比最高。垂直分布显示：硝化螺菌纲随深度递减，而α/γ-变形菌纲递增。

活性特征与营养策略

1,513个共有ASVs的rRNA:rDNA比值跨度达0.001-5,000。γ-变形菌纲（如假交替单胞菌Pseudoalteromonas）、拟杆菌纲（NS9海洋群）比值>1，体现富营养型策略；α-变形菌纲（如AEGEAN-169群）、硝化螺菌纲比值<1，符合寡营养特性。SAR86支系虽属γ-变形菌纲，却呈现低比值，暗示类群内活性分化。

环境驱动异质性

温度、硝酸盐（NO₃^-）和磷酸盐（PO₄^3-）驱动DNA群落变异，而RNA群落更响应亚硝酸盐（NO₂^-）、盐度和叶绿素a。春季群落结构最独特，深层站位的水层差异更显著。

该研究证实rDNA和rRNA数据能同等捕捉群落时空变异，但揭示不同的生态过程。首次在区域尺度量化了东海原核浮游生物的活性分化，为理解微生物介导的碳氮循环提供了新视角。发现稀有类群可能通过高活性贡献关键生态功能，挑战了传统"稀有即冗余"的认知。方法学上，建立rRNA:rDNA比值作为营养策略指示剂的标准，为全球海洋微生物研究提供了范式。