高频采样揭示浮游植物形态快速变化的生物与非生物驱动机制

本研究通过DNA宏条形码技术（DNA metabarcoding）结合3天间隔的高频采样，解析了捷克泥炭沼泽湖中金藻纲（Chrysophyceae）Synurales目浮游植物群落的快速形态变化。研究发现群落组成和关键形态特征（如群体形态、硅质鳞片/刚毛结构）在数日内即发生显著变化，其中群体物种受硅浓度和风速等非生物因素驱动，而单细胞物种的刚毛形成则与枝角类（Cladocera）捕食压力显著相关。该研究建立了首个覆盖欧洲64%已知物种的ITS rDNA参考数据库，实现了99.93%读长的物种级注释，为理解淡水生态系统快速适应机制提供了新范式。

　　

摘要

研究团队在捷克Spálená Borkovna泥炭沼泽湖开展为期70天、间隔3天的高频采样，通过自主设计的金藻特异性引物（Chryso-SSU1/Chryso-5.8S5）进行ITS1 rDNA扩增测序。建立的定制化参考数据库包含106个培养株系，涵盖欧洲73个Mallomonas和20个Synura形态种，成功将99.93%的eDNA读长注释到74个物种级谱系。研究发现：

材料与方法

采样点选择人工开采形成的3.5公顷浅水湖泊，同步收集浮游植物（20 μm网）、浮游动物（100 μm网）和水化学样品。环境DNA提取采用DNeasy PowerWater Kit，Illumina MiSeq双端测序数据经Swarm聚类（d=3）和RAxML系统发育分析。形态功能性状包括：

• •

  群体物种：细胞/群体体积（椭球体公式计算）、刺状/光滑鳞片（TEM验证）、伸长/球形群体

• •

  单细胞物种：刚毛长度/分布模式（前部/全覆盖）、细胞体积

• •

  浮游动物：摄食类型（初级/次级滤食）、运动方式等

结果

群落动态

NMDS分析显示群落结构随时间显著变化（Bray-Curtis相异度），早期样本以大型细胞（平均体积1,200 μm³）和刺状群体为主（占比67%），后期转为小型细胞（400 μm³）和光滑群体。单细胞物种中，枝角类占比＞50%时，全细胞覆盖刚毛的物种增加4倍（P<0.01）。

关键驱动因素

• •

  非生物因子：硅浓度与刺状群体丰度呈正相关（r=0.82），风速＞3 m/s时伸长群体比例上升35%

• •

  生物因子：

  • •

    单细胞物种：枝角类促进刚毛形成（长度增加300%），但导致细胞体积减小40%

  • •

    群体物种：轮虫（Monogononta）占比高时群体体积增大25%

讨论

形态防御策略

• •

  刚毛武器化假说：Mallomonas刚毛的锯齿/头盔状结构（图1k,l）可能损伤枝角类围食膜，该假说得到刚毛-捕食量负相关的支持

• •

  群体尺寸悖论：与传统认知相反，混合扰动环境中选择小型群体（直径＜50 μm），可能与硅限制条件下无刺鳞片物种的竞争优势有关

技术突破

相比传统显微镜观察，eDNA方法检测到8个稀有物种（相对丰度＜0.1%），包括3个此前未记录的隐存种。研究强调参考数据库需包含：

1. 1.

   培养株系的形态-分子双验证数据

2. 2.

   近缘种的系统发育界定（如M. akrokomos复合群含4个遗传谱系）

结论

这项研究首次在日尺度上揭示浮游植物形态可塑性对环境压力的响应速度，证实：

1. 1.

   枝角类通过化学信号诱导刚毛合成的生态防御机制

2. 2.

   硅循环对群体建筑学（colony architecture）的调控作用

3. 3.

   高频采样结合定制数据库是解析微生物快速适应的关键