《Frontiers in Marine Science》：DNA–RNA congruence and inter-domain co-occurrence networks reveal contrasting microbial association regimes in eastern versus western mangrove sediments of Shenzhen
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红树林生态系统极易受到海岸环境变化和人为干扰的影响。分布于深圳东部和西部海岸的红树林面临着截然不同的环境条件。东部海岸受南海北部寡营养海水影响，以原生红树林为主；而西部海岸位于珠江口内，承受着高营养盐输入、高强度城市化和大规模红树林修复的压力。本研究通过平
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红树林生态系统极易受到海岸环境变化和人为干扰的影响。分布于深圳东部和西部海岸的红树林面临着截然不同的环境条件。东部海岸受南海北部寡营养海水影响，以原生红树林为主；而西部海岸位于珠江口内，承受着高营养盐输入、高强度城市化和大规模红树林修复的压力。本研究通过平行16S和18S rRNA基因测序，在DNA和RNA两个水平上对沉积物原核和真核群落进行了表征。研究发现，东部和西部样点间两个微生物域（domain）的群落组成均存在显著差异。东部沉积物富集硫酸盐还原菌和氨氧化古菌，并以羽纹硅藻（pennate diatoms）为主；而西部沉积物含有更高比例的富营养型（copiotrophic）细菌类群，并以中心硅藻（centric diatoms）为主。在DNA和RNA水平构建的跨域共现网络（inter-domain co-occurrence networks）显示，东部红树林的网络复杂度显著高于西部。枢纽亚网络（hub subnetworks）进一步揭示了DNA–RNA一致性的显著差异：东部在DNA和RNA水平间共享307个分类单元（taxa），而西部仅共享12个，表明在西部环境条件下，DNA相关群落与RNA相关群落之间存在强烈的解耦（decoupling）。与这些网络模式一致，Mantel检验显示东部微生物群落与 abiotic 变量仅呈弱相关，而西部群落对环境梯度响应更强，表明外部强迫（external forcing）在塑造西部群落结构中发挥更大作用。综上，这些结果表明相对稳定的东部环境支持复杂且高度一致的微生物网络，而更为动态的西部环境则以稀疏和解耦的网络为特征。环境条件不仅重组了分类组成，还重组了微生物共现网络的架构及其DNA–RNA一致性，凸显了这些网络层面属性作为红树林生态系统评估补充指标的潜力。
论文解读
一、研究背景与问题提出
红树林是热带和亚热带地区最具生产力和生态重要性的海岸生态系统之一，提供碳封存、海岸保护、营养过滤和生物多样性支持等关键服务。沉积物微生物群落驱动有机质矿化、硫循环、氮转化和甲烷代谢，是维持红树林生态系统健康的核心。然而，以往研究大多将原核或真核群落分开研究，跨域互作关系仍不清楚。此外，传统环境DNA（eDNA）分析无法区分具有转录活性的RNA相关群落，因为DNA可能来自休眠或死亡生物体。环境RNA（eRNA）因降解快、主要由活细胞产生，被视为转录活性群落的代理。近年来，共现网络分析（co-occurrence network analysis）逐渐应用于揭示微生物潜在互作及其对环境变化的响应，但将微生物组成和潜在互作纳入红树林生态系统评估的研究仍然匮乏。深圳东部和西部海岸红树林面临截然不同的环境条件：东部受南海北部寡营养海水影响，盐度稳定，以原生林为主；西部位于珠江口，承受高营养盐输入、盐度波动、快速城市化和大规模红树林修复。这一环境对比为研究不同环境条件如何塑造沉积物微生物群落结构、活性和互作网络提供了理想的天然实验室。
二、研究内容与主要结论
研究人员沿深圳海岸线开展综合调查，在DNA和RNA水平上同时表征原核（16S rRNA基因）和真核（18S rRNA基因）群落，构建跨域共现网络以识别枢纽分类单元和功能模块。研究旨在揭示东西部红树林生态系统间DNA相关和RNA相关沉积物微生物组的差异，并通过跨域共现网络识别不同环境背景下微生物共现模式的差异。研究发现，东部和西部微生物群落在原核和真核两个域中均存在显著差异，东部富集硫酸盐还原菌、氨氧化古菌和羽纹硅藻，西部则富集富营养型细菌和中心硅藻。跨域共现网络显示东部网络规模和复杂度远高于西部，且东部DNA–RNA亚网络共享307个分类单元，西部仅共享12个，表明西部环境条件下DNA相关与RNA相关群落严重解耦。Mantel检验显示西部群落对环境变量响应更强，表明外部环境强迫在塑造西部群落结构中作用更大。这些结果表明，环境条件不仅改变分类组成，还从根本上重塑了微生物互作网络的架构和DNA–RNA一致性，提示网络层面属性可作为红树林生态系统评估的补充指标。
三、主要技术方法
研究人员于2023年6月至8月对深圳东部（n=33）和西部（n=72）共105个样方开展地面植被调查，并同步采集表层沉积物（0–5 cm）。使用DNeasy PowerSoil Pro Kit和RNeasy PowerSoil Total RNA Kit分别提取DNA和RNA，RNA经逆转录获得cDNA。采用地球微生物组计划（EMP）引物对16S rRNA基因（515F/806R）和18S rRNA基因（1391F/EukBr）进行扩增，在Illumina NovaSeq 6000平台测序。使用mothur软件进行序列质控、OTU聚类（97%相似度）和分类学注释，分别比对SILVA（v138）和PR2（v5.0.0）数据库。共现网络构建采用Spearman相关（|r|>0.8，p<0.01），并计算网络拓扑属性、枢纽分类单元（Zi-Pi方法）及DNA–RNA亚网络重叠。环境变量包括总硫（TS）、总碳（TC）、总氮（TN）、总磷（TP）、盐度、黏粒含量及潮汐和气候参数，采用Mantel检验和基于距离的冗余分析（db-RDA）评估环境–群落关系。
四、研究结果
（一）东部和西部红树林生态系统的环境特征
植被调查显示东西部群落组成和结构差异显著。东部以原生种为主（99.5%），以秋茄（Kandelia obovata，38.4%）和桐花树（Aegiceras corniculatum，20.2%）为优势种，含26.2%半红树茎干。西部以真红树为主（98.8%），引入种无瓣海桑（Sonneratia apetala）占13.5%，茎干密度更高。环境定量评估证实东西部存在显著差异：西部样点总硫、总碳、总磷、总氮含量及黏粒比例显著更高，年均温、潮差和平均潮位也更高；东部年降水量和高低潮循环频率更高。沉积物盐度无显著区域差异。
（二）东部和西部红树林原核和真核群落组成及环境驱动因素
16S rRNA基因测序获得6,125,777条高质量序列，聚类为32,632个OTU。群落以变形菌门（Proteobacteria，62.2%）为主，其中γ-变形菌纲（28.4%）、δ-变形菌纲（26.2%）和α-变形菌纲（7.5%）占比较高。NMDS分析显示东西部群落显著分离（ANOSIM，r=0.24，p=0.001），SIMPER分析表明东西部Bray-Curtis相异度为83.3%，几乎全部（98.9%）由东部富集OTU贡献。东部富集硫酸盐还原δ-变形菌（如Desulfatiglans和Sva0081沉积物类群）和氨氧化奇古菌（Candidatus Nitrosopumilus）。RNA水平多样性指数（丰富度、Shannon多样性、Pielou均匀度、Margalef丰富度）在东西部均显著高于DNA水平。RNA相关群落富集变形菌门，DNA相关群落富集拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）和疣微菌门（Verrucomicrobia）。
18S rRNA基因测序获得5,123,675条高质量序列，聚类为21,241个OTU。群落以Gyrista为主（49.5%），主要为硅藻纲（Bacillariophyceae）和中型硅藻纲（Mediophyceae）。NMDS显示东西部真核群落显著分离（ANOSIM，r=0.27，p=0.001），SIMPER分析表明差异几乎全部由东部富集OTU驱动，包括绿藻（如Cladophora sp.）和红藻（如Caloglossa leprieurii）。东部RNA相关群落富集绿藻和真菌，DNA相关群落富集羽纹硅藻（Naviculaceae）和有孔虫（Foraminifera）；西部DNA相关群落富集中心硅藻（Mediophyceae和Thalassiosirales），RNA相关群落富集眼虫门（Euglenozoa，主要为Kinetoplastea）。
Mantel检验显示环境–群落相关存在明显不对称性。西部原核和真核群落在DNA和RNA水平均与多个环境变量显著相关（r=0.08–0.35，p<0.05）；东部原核群落无显著单变量Mantel相关，东部真核群落仅RNA水平与潮汐变量相关。db-RDA模型在全部8个海岸×域×模板组合中均显著（p=0.001–0.038），但解释的组成变异比例有限（校正R2=0.09–0.20）。
（三）东部和西部红树林跨域共现网络的拓扑特征
跨域共现网络在严格预筛选后构建，并与Erd?s–Rényi随机网络比较确认稳健性。东部网络（DNA：8,101个节点、60,438条边；RNA：6,117个节点、20,015条边）远大于西部网络（DNA：2,707个节点、10,557条边；RNA：1,424个节点、2,195条边）。DNA网络比RNA网络更密集，但RNA网络模块化程度更高。原核生物占所有网络节点77–87%。东部δ-变形菌纲在DNA和RNA网络中均占主导（20.31%和23.34%）；西部δ-变形菌纲在DNA网络中占主导（21.65%），但在RNA网络中显著下降（11.17%），γ-变形菌纲和拟杆菌门比例上升。
（四）枢纽分类单元及其相关枢纽亚网络在DNA和RNA水平的特征
枢纽分类单元识别显示东部网络枢纽数量（East-DNA：239个；East-RNA：316个）远多于西部（West-DNA：59个；West-RNA：27个）。留出法（leave-out）重建验证表明，枢纽位置在属和科水平上可重复占据。原核生物占所有枢纽的63.0–91.5%，真核生物在RNA网络中比例更高（East-RNA：13.6%；West-RNA：37.0%）。东部DNA和RNA亚网络共享307个共有分类单元（约占各亚网络18–21%），以δ-变形菌纲（85个，主要为脱硫杆菌目Desulfobacterales和互营杆菌目Syntrophobacterales）、拟杆菌门（42个）、γ-变形菌纲（38个）和Gyrista（12个，主要为硅藻纲）为主；西部DNA和RNA亚网络仅共享12个分类单元（约占3–6%）。跨海岸重叠较少：两个DNA亚网络共享66个分类单元，两个RNA亚网络共享33个分类单元。
亚网络模块分析揭示了不同的潜在功能关联。东部亚网络反复出现硫酸盐还原–聚合物降解–底栖生产关联，整合脱硫杆菌目、拟杆菌目、硅藻纲和旋毛纲（Spirotrichea）纤毛虫；East-RNA模块还加入厌氧绳菌目（Anaerolineales），提示潜在发酵–末端还原关联；East-RNA Module 2将互营杆菌目与泉古菌门（Euryarchaeota）产甲烷菌关联，提示潜在互营发酵–产甲烷关联。西部亚网络模块较小且功能不同：West-DNA Module 1将硫氧化菌（Thiotrichales）与Gyrista硅藻关联，提示硫氧化–初级生产关联；West-RNA Module 3将β-变形菌纲（Betaproteobacteriales）与后生动物总群（Opisthokonta）真菌关联，提示高有机负荷下的异养降解关联。
五、讨论与结论
讨论部分指出，东部和西部海岸的微生物群落差异是不同海洋学条件、地球化学条件和人为干扰强度综合作用的结果。东部稳定的寡营养环境支持以硫酸盐还原和氨氧化为主的成熟生物地球化学网络，而西部高营养盐、高浊度和盐度波动的河口环境促进快速异养代谢和硫氧化过程。DNA–RNA一致性的显著差异反映了两种截然不同的生态情景：东部稳定环境使DNA相关和RNA相关群落在结构和功能上高度一致，而西部动态环境导致DNA相关群落（含休眠种子库）与RNA相关转录活性群落严重解耦。
研究结论认为，环境条件不仅改变微生物分类组成，还从根本上重塑微生物互作网络的架构和DNA–RNA一致性。东部复杂且高度一致的网络表明生态系统具有稳定的潜在功能关联（聚合物降解、发酵、硫酸盐还原、底栖生产），而西部稀疏且解耦的网络表明群落受更强的外部环境强迫，呈现机会主义组织模式。这些网络层面指标可揭示植被调查和常规环境监测无法检测的生态系统组织特征，并可能对环境变化和修复进程响应更快。将微生物网络指标纳入红树林生态系统评估和修复监测具有重要应用潜力，为红树林保护策略设计提供了微生物层面的科学依据。
