亚北极夏季挪威北部峡湾海洋原生生物空间多样性：温度、盐度与磷酸盐驱动及*Chrysochromulina leadbeateri*藻华

《Journal of Eukaryotic Microbiology》：Spatial Diversity of Marine Protists Along the Northern Norway Fjords During the Sub-Arctic Summer

　　

极地沿岸水域是高度复杂且高产的生态系统，正经历平均水温升高、分层变浅且增强以及冰川融化速率升高。然而，峡湾内的环境复杂性和高微生物多样性使理解这些变化的影响及驱动它们的生态过程面临挑战。在此，研究人员于2019年夏季利用SSU rRNA基因宏条形码（metabarcoding）研究了挪威北部沿岸的原生生物（protists）和原核生物（prokaryote）群落、其分布及功能生态学。理化数据为浮游生物群落差异的主要驱动因子提供了认识。研究人员发现，不同峡湾之间以及西部区域（Vester?len、Balsfjorden和Lyngenfjord）与北部区域（Porsangerfjord、Laksefjord和Tanafjord）之间，α多样性（alpha diversity）和β多样性（beta diversity）存在显著差异。温度、盐度和磷酸盐是群落组成差异的主要驱动因子，与西部峡湾正相关，与北部峡湾负相关。宏条形码分析揭示，甲藻（dinoflagellates）、隐藻（cryptophytes）和Ochrophyta（ochrophytes）是挪威北部沿岸最丰富的类群，并证实了Balsfjorden中鱼毒性定鞭藻（haptophyte）*Chrysochromulina leadbeateri*的藻华。研究人员对不同峡湾中群落及关键贡献者的综合空间研究，为这些独特且高产、正经历快速环境变化的生态系统的未来环境监测建立了基线。

研究背景与问题：极地沿岸水域是复杂且高产的生态系统，但气候变化导致极地升温速度约为温带地区的四倍，伴随夏季平均水温升高、分层增强且变浅、冰川融化加快。水温升高还会改变浮游植物生长季的范围和时间。挪威北部峡湾受Norwegian Coastal Current、Norwegian Sea和Barents Sea水团影响，可区分西部温带至亚极地峡湾（Vester?len、Balsfjorden、Lyngenfjord）和芬马克沿岸极地至亚极地峡湾（Porsangerfjord、Laksefjord、Tanafjord）。峡湾具门槛、深度和长度大、底层水停滞等特征，环境复杂，微生物多样性高，这给理解气候变化影响及生态过程带来挑战。已有研究多基于显微鉴定，需多峡湾空间解析。研究人员的目标为：(i)描述原生生物（protists，单细胞真核生物）群落并评估营养模式分布；(ii)比较温带与亚北极峡湾原生生物组成和多样性；(iii)识别可能解释峡湾内和峡湾间群落组成、相对丰度及潜在营养功能差异的非生物与生物因子。研究人员于2019年夏季在R/V Heincke HE533航次开展空间研究。

技术方法概要：样本队列来源为2019-05-20至2019-06-06 R/V Heincke HE533航次，沿挪威北部海岸六条断面：Vester?len、Balsfjord、Lyngenfjord、Porsangerfjord、Laksefjord、Tanafjord。采集海水和CTD数据，取3 m、叶绿素次表层最大值（SCM，subsurface chlorophyll maximum，8–28 m）和40 m水层，合并后经200 μm、20 μm、3 μm、0.2 μm分级为微浮游（200–20 μm）、纳米浮游（20–3 μm）和微微浮游（3–0.2 μm）。使用18S rRNA基因V4区和16S rRNA基因V4区扩增子宏条形码（metabarcoding），DADA2去噪生成ASV（amplicon sequence variants，扩增子序列变体），以PR2等数据库分类；采用稀释、α/β多样性、db-RDA（distance-based redundancy analysis，基于距离的冗余分析）、PERMANOVA（permutational multivariate analysis of variance，置换多元方差分析）、RDA（redundancy analysis，冗余分析）和Spearman相关分析群落与环境及原核共现。

**3.1 理化因子的空间变化**：通过CTD和营养盐测定，水温平均5.01°C，范围2.85–6.55°C，西部峡湾更暖，内峡湾比外站冷；盐度32.1–34.3，平均34 PSU，最低st09内Balsfjord。磷酸盐平均0.33 μM，st05最低0.12 μM，st16最高0.54 μM。NO₃与PO₄、SiO₄、NO₂正相关，NO₂与PO₄、NH₄正相关；温度、PO₄、NO₂、NO₃与氧浓度负相关。SCM处叶绿素a（chl-a）多为0.4–4.5 μg L^?1，st10 Balsfjord达17.4 μg L^?1。

**3.2 挪威北部原生生物群落组成**：18S测序经DADA2和人工过滤后得9,547,978条reads、4231 ASVs。126个ASV丰度>0.1%，合计83% reads；4016个ASV<0.05%，合计10.7%。Alveolata对ASV丰富度贡献40.9%，Stramenopiles 24.5%，Rhizaria 10.3%；reads上Hacrobia 31.1%，Alveolates 28.8%，Stramenopiles 19.6%。Alpha多样性北部高于西部，Shannon H′和Pielou evenness J′显著差异；峡湾间richness和evenness在西部与北部及不同区域间显著。

**3.3 六个区域的群落组成与环境驱动因子**：NMDS显示同一峡湾样品聚类，Balsfjord样品分散，提示群落组成不同。db-RDA显示温度解释18.3%、盐度9.6%，合计28%；dbRDA1与温盐负相关，dbRDA2与温度正相关、盐度负相关。甲藻相对丰度自南向北增加，北部Porsangerfjord、Laksefjord、Tanafjord平均约50%；Stramenopiles在Vester?len丰富；Cryptophytes在Vester?len最高达40% st04，Lyngenfjord以*P. prolonga*和*T. gracilis*为主；Haptophyta在Balsfjord最高（st10 55.8%、st09 43.6%）和Porsangerfjord，分别由*C. leadbeateri*和*P. pouchetii*主导。RDA显示温盐显著，与Cryptophyta、Pseudofungi、Ochrophyta正相关，与Dinoflagellata、Haptophyta负相关。Chlorophyta在picoplankton较高。Dinoflagellates在nanoplankton北方约50%。微浮游中Ochrophyta、Dinophyta、Ciliophora贡献高。668个ASV在所有峡湾共有；东北峡湾共享47，西南共享45；Vester?len独有ASV最多549。十个最丰富ASV在所有站出现：*P. prolonga* ASV01最丰富，*T. gracilis* ASV02，*C. leadbeateri* ASV08在Balsfjord，*P. pouchetii* ASV07在Porsangerfjord；*P. prolonga*/*T. gracilis*与温盐磷酸盐正相关，*C. leadbeateri*负相关。

**3.4 挪威北部沿岸的营养模式**：异养（heterotrophy）在除Balsfjord外所有峡湾占优（每峡湾平均35%–50%），Balsfjord混合营养（mixotrophy）占优（28%）。北部最北峡湾dinoflagellates_UT增加，自养（autotrophy）原生生物减少。混合营养除Balsfjord *C. leadbeateri*藻华外比例低；混合营养在较低盐度（32–33）中最多，dinoflagellates_UT在较冷水中最多。自养与混合营养和dinoflagellates_UT负相关；异养与未知营养组正相关；混合营养与dinoflagellates_UT正相关。

**3.5 宏条形码揭示的原核生物多样性与原生生物共现**：16S rRNA显示Proteobacteria和Bacteroidetes最丰富，平均68%和27%。Proteobacteria中Alteromonadales、Rhodobacteriales、Oceanospirillales贡献最大。Alteromonadales在Vester?len st2/st3 <1%到Lyngenfjord st16 >50%；Laksefjord和Tanafjord Alteromonadales最低、Rhodobacteriales最高。部分ASV具峡湾特异性。相关分析显示*P. prolonga*与Marinoscillum和Flavobacteriaceae正相关；*T. gracilis*与Marinoscillum正相关；*P. pouchetii*与OM182 clade、Cryomorphaceae、Polaribacter正相关；*T. gracilis*与Aurantivirga、Polibacter、*G. fusiforme*、Vibrio、Pseudofulvibacter负相关。

讨论部分总结：讨论指出，挪威北部沿岸原生生物组成类似后藻华群落，Alveolata、Hacrobia和Stramenopiles占主导。20.5% ASV跨所有大小分级，可能源于链形成、聚合体、摄食、过滤裂解、测序深度和rRNA拷贝数变异。甲藻最丰富多样，Gymnodiniales和Peridiniales最多，Gymnodinium和Gyrodinium在低光低营养和低盐条件下占优；但数据库参考不足限制种级鉴定。*P. prolonga*是最丰富ASV，适应温盐光变化，Cryptophyta在亚北极可能重要。*P. pouchetii*和*C. leadbeateri*丰富，Balsfjord st09/st10出现*C. leadbeateri*异常高密度，与st10高chl-a一致；该种常见但鱼毒性藻华仅在挪威记录。*P. australis*广泛但Archaeplastida总丰度低。营养模式方面，异养通常占优，Balsfjord因*C. leadbeateri*藻华混合营养占优；西部自养较高，北部/冷水dinoflagellates_UT较高，RDA提示许多未分配甲藻可能为混合营养；负相关不一定竞争，可能来自捕食或物理适应，甲藻偏好分层弱湍流条件。有害藻华（HABs，harmful algal blooms）影响营养循环和生态系统，但营养模式分配存在数据库和生态复杂性限制。非生物/生物因子方面，温度盐度显著，解释28%变异；营养合计约17%，仅NO₃边缘显著（p=0.085），营养间正相关提示共限制，温度盐度主导。细菌中Alteromonadales、Rhodobacterales、Bacteroidetes在春季/藻华常见，参与微生物环和有机物循环。不同原生生物类群相对丰度是多种生物和非生物因素复杂互作结果；共现不能解释为因果。

研究结论翻译：总之，对初夏亚极地和温带区域原生生物群落组成的研究揭示，由区域特异性环境条件和流系驱动的多样性和组成存在显著差异。这些发现强调局地尺度生物与环境相互作用的复杂性。Finnmark County的极地峡湾以较低温度、光照水平和较低营养可利用度为特征，这些条件可能与观察到的异养鞭毛虫和纤毛虫优势相关。相反，西部沿海区域和峡湾具有较高温度和营养可利用度，导致光合浮游植物相对丰度较高，包括硅藻、定鞭藻、甲藻和隐藻。对挪威北部峡湾和沿海生态系统的研究还突出了甲藻的优势以及Balsfjorden中混合营养定鞭藻纳米鞭毛虫*C. leadbeateri*的独特藻华。研究结果强调，必须考虑塑造原生生物群落组成的局地环境条件，以充分理解这些系统的生态动态。