太平洋亚历山大藻生长周期中细菌广适种与真菌专适种在维持藻际微生物组群落稳定性及调控多样性中的重要作用

本研究聚焦有害藻华物种太平洋亚历山大藻（Alexandrium pacificum）的藻际微生物组，首次系统揭示了其生长周期中自由生活型细菌和真菌的广适种（generalists）与专适种（specialists）的生态演化规律。通过多维分析（包括多样性、群落组装、分子网络及BiSSE模型），发现细菌以广适种为主导而真菌以专适种为核心，二者分别通过高物种形成率（speciation）及生态位转换（transition）维持群落稳定与功能，为理解藻华干扰下微生物互作与多样性维持机制提供了重要理论依据。

　　

藻类相关微生物组是由特定藻类长期驯化形成的微生物群落，与宿主种群保持密切关系。尽管近年来甲藻相关微生物研究受到广泛关注，但微生物广适种和专适种在藻华形成甲藻生长周期中的相互作用与贡献仍不清楚。本研究通过实验室多年无抗生素培养的太平洋亚历山大藻（Alexandrium pacificum）生长过程，探讨了细菌和真菌群落中自由生活型广适种与专适种的生态和进化特征。

生态视角下，细菌广适种和真菌专适种在群落中占主导地位，表明细菌和真菌群落之间存在不同的微生物生态位模式。此外，微生物专适种更容易受到藻类增殖的干扰，表现为更大的群落差异性和确定性主导的组装过程。与对应类群相比，细菌广适种和真菌专适种的分子网络更为复杂和稳健，表明它们在抵抗环境压力和功能维持方面发挥重要作用。进化角度上，细菌广适种和真菌专适种表现出更高的多样化潜力，而其他类群则具有较高的灭绝率。尽管存在这些差异，但观察到从前两者到对应类群的持续转换，缓解了生物界中的“马太效应”，以实现生态权衡。

总体而言，这些发现强调了细菌广适种和真菌专适种在生长过程中对维持群落稳定和调控微生物多样性方面的重要作用，拓展了当前对浮游植物相关微生物多样性和群落维持机制的理解。

材料与方法部分详细描述了实验设计。太平洋亚历山大藻菌株NJD-1分离自中国浙江沿海海水，在无抗生素条件下使用添加f/2-Si培养基的无菌天然海水培养。实验设置了八个重复的1升锥形瓶，在不同时间点取样，根据藻细胞密度定义了三个生长阶段：初始期（AP1、AP2）、平台期（AP3、AP4、AP5）和末期（AP6、AP7、AP8）。通过过滤收集自由生活微生物细胞，提取DNA后进行16S rRNA基因V3–V4区和ITS区域的扩增子测序。数据经过质量控制、去嵌合体和97%相似度的OTU聚类。

生态位广适种和专适种的鉴定采用Levins的生态位宽度（B）公式，根据相对丰度分布计算B值。细菌广适种定义为B值大于4且出现在四个以上样本的OTU，专适种为B值小于1.5的OTU；真菌广适种和专适种的阈值分别为2.5和1.5。Alpha多样性通过Shannon和Chao1指数评估，Beta多样性基于Bray–Curtis距离进行PCoA分析。群落组装过程使用归一化随机性比率（NST）量化，NST<0.5表示确定性主导，NST>0.5表示随机性主导。分子生态网络基于Spearman相关系数（r>0.6，P<0.05）构建，并使用Gephi可视化。进化特征通过二元状态物种形成和灭绝（BiSSE）模型评估，计算物种形成率（λ）、灭绝率（μ）和状态转换率（t）。

结果部分显示，测序数据覆盖度超过99%，共获得619,543条细菌和535,204条真菌高质量序列。细菌中广适种和专适种OTU分别为270个和62个，占总序列的80.3%和0.5%；真菌中广适种和专适种OTU分别为143个和1,147个，相对丰度为11.8%和84.0%。细菌广适种的生态位宽度显著大于专适种（P<0.001）。

多样性分析表明，细菌群落的Shannon指数范围为4.50–5.13，真菌为3.14–5.81，两者无显著差异，但细菌的Chao1丰富度显著更高（P<0.01）。随着藻类生长，细菌多样性呈增加趋势，而真菌多样性下降。细菌广适种的丰富度和多样性显著高于专适种（P<0.001），而真菌专适种的丰富度显著更高（P<0.05）。细菌广适种多样性与整体群落多样性呈正相关（P<0.05），而真菌专适种和广适种均与整体群落多样性正相关（P<0.05）。系统发育多样性方面，细菌和真菌专适种的平均最近类群距离（MNTD）值均高于广适种（P<0.05），表明专适种间进化差异更大。

Beta多样性分析显示，藻类生长导致细菌和真菌群落结构显著异质（R=0.96，P=0.002；R=0.44，P=0.011）。细菌群落生态位宽度显著增加（P<0.001），而真菌显著减少（P<0.001）。微生物专适种的群落差异性更大，与整体群落重叠较小；而广适种与整体群落相关性较强。群落组装过程中，细菌和真菌广适种的NST值多大于0.5（平均值分别为0.59±0.13和0.59±0.14），表明随机过程主导；专适种的NST值多小于0.5（细菌平均值0.28，真菌0.08），表明确定性过程主导。随着藻类生长，细菌广适种的确定性作用增强，专适种随机性增加；真菌群落呈现相反趋势。

物种组成上，细菌广适种和专适种分别涉及31个和19个属，主要属于Proteobacteria和Bacteroidota；真菌广适种和专适种分别包括5个和83个属，主要属于Ascomycota和Basidiomycota。优势细菌广适种包括Rhodobacteraceae未分类属、Marixanthomonas和Algoriphagus；优势真菌广适种包括Apiotrichum、Meyerozyma和Penicillium。

分子生态网络分析显示，整个微生物网络（包含细菌和真菌）规模在579–784之间，细菌和真菌节点分别占61.21%和38.79%，正相互作用占86.02%。主要模块包括I、II、IV和V模块，占节点的43.34%。细菌广适种在网络中占比57.68%，显著高于专适种（1.24%）；真菌专适种占比71.29%，是广适种的四倍。细菌和真菌网络中正相关性分别占74.64%和99.98%。网络模块性指数均超过0.4，表明模块化结构。细菌广适种和真菌专适种网络具有更复杂的拓扑特性（节点数、边数、平均度等均更高，P<0.01或0.001）和更强的稳健性，表明它们在维持群落稳定性和相互作用中起关键作用。

进化特征方面，BiSSE模型显示，细菌广适种的物种形成率（λ_g=122.69）和灭绝率（μ_s=16.01）均高于专适种（λ_s=0.01，μ_s=0.04），从广适种到专适种的转换率（t_g-s=257.07）远高于反向（t_s-g=8.21）。真菌专适种的物种形成率（λ_s=14.11）和灭绝率（μ_s=0.06）均高于广适种，从专适种到广适种的转换率（t_s-g=101.11）高于反向（t_g-s=16.22）。这些结果表明细菌广适种和真菌专适种在调控微生物多样性方面具有重要作用。

讨论部分指出，与根际和人类肠道微生物类似，藻际微生物与微藻长期共存，形成密切关系。本研究首次全面探讨了有毒有害藻华物种生长周期中藻际微生物广适种和专适种的生态和进化特征。

细菌和真菌群落之间存在不同的生态位分异模式。细菌广适种的多样性和丰富度显著高于专适种，而真菌专适种更高。这种差异可能与藻类释放的化合物及微生物间的营养竞争有关。藻类增殖对真菌群落的不利影响更大，细菌广适种在维持细菌多样性中起核心作用，而真菌专适种和广适种均对真菌多样性有重要贡献。群落生态位宽度在细菌中扩大、真菌中缩小，表明资源可用性的不同变化趋势。微生物专适种对藻华干扰更敏感，群落差异性更大；广适种的群落变化更渐进，与整体群落一致。

群落组装过程受随机和确定性过程共同驱动。微生物专适种组装由确定性过程主导，表明其对藻华物种增殖更敏感；广适种组装由随机过程主导。细菌广适种确定性作用增强和专适种随机性增加可能与进化过程有关，细菌广适种到专适种的高转换率可能导致前者确定性作用增强。

分子生态网络以正相互作用为主，表明互利关系在维持生物多样性和生态系统功能中起重要作用。细菌广适种和真菌专适种参与更多的相互作用，Proteobacteria、Bacteroidota、Ascomycota和Basidiomycota是主要功能类群。细菌广适种和真菌专适种网络更复杂、稳健，具有更多节点、边、平均度和主要模块，表明它们在维持生态系统稳定性和功能中的重要性。真菌专适种可能通过高系统发育多样性和模块化取代广适种的角色，或通过向广适种转换增强环境适应。

进化方面，细菌广适种和真菌专适种具有更高的物种形成率和更低的灭绝率，多样化潜力更大。细菌广适种（生态位更广）和真菌专适种（系统发育多样性更高）的更高丰富度可能间接提高了物种形成率。尽管真菌专适种多样性下降，但更高多样化可能缓解而非阻止藻华干扰下的多样性丧失。真菌广适种和细菌专适种虽灭绝率更高，但通过物种转换得到补充，维持动态源-汇关系，缓解“马太效应”。细菌广适种通过向专适种转换缓解种间竞争压力，增强特定生长阶段的适应；真菌专适种通过向广适种转换实现生态位扩张，抵御环境过滤。这种相互依赖关系符合红皇后理论，进化动态平衡可能由生物因素驱动。

结论部分总结，本研究首次全面探讨了有毒藻华形成甲藻生长周期中自由生活型藻际细菌和真菌广适种与专适种的生态和进化过程。主要发现包括：细菌和真菌群落之间存在不同的微生物生态位模式，细菌广适种和真菌专适种占主导且具有更高多样性和丰富度；微生物专适种对藻类增殖干扰更敏感，群落差异性更大且确定性过程主导组装；细菌广适种和真菌专适种分子网络更复杂、稳健，是种间相互作用的主要参与者；细菌广适种和真菌专适种具有更高多样化速率和向对应类群转换的能力，有助于防止多样性失衡。这些发现突出了细菌广适种和真菌专适种在藻华物种生长周期中维持微生物群落稳定性和生物多样性的关键作用，拓展了对藻华干扰下微生物生态意义的理解，为有毒藻华管理提供了重要理论指导和实证支持。