离地高度与积水器pH影响附生凤梨科植物原核生物多样性：基于16S rRNA扩增子测序

《Environmental Microbiology Reports》：Height From the Ground and Phytotelm pH Affect Prokaryotic Diversity in Epiphytic Bromeliads

新热带区的积水型凤梨科植物（tank bromeliads）容纳复杂的无脊椎动物群落，甚至为多种脊椎动物提供食物、水和庇护。然而，很少有研究对附生凤梨科植物积水器（phytotelmata）内的微生物群落进行测序。研究人员对从附生凤梨科植物 Aechmea hoppii 和 A. nidularioides 中央积水器（central phytotelm）基部擦拭拭子中提取的16S rRNA亚基进行了测序。研究人员检验了其怀疑可能影响凤梨科植物中原核生物群落α多样性（alpha diversity）和β多样性（beta diversity）的因素。树上高度和凤梨科植物大小影响植物内的α多样性。无论计算定量距离还是定性距离，离地高度和积水器pH仅解释群落间变异的一小部分。研究人员使用FAPROTAX将分类群归入功能群，发现功能与变量之间呈现复杂的相关性图景，树上高度、pH、植物大小和物种、森林类型以及采样季节与不同功能群相关。这项相对较大规模的凤梨科植物积水器原核生物宏条形码（metabarcoding）研究，为不断增长的对这些高度多样且复杂系统的认识作出了贡献。

研究背景：新热带附生凤梨科植物（Bromeliaceae）通过螺旋状叶丛形成积水器（phytotelmata，植物叶腋积水形成的水体微生境），其中栖息复杂的真核和原核群落，并为脊椎动物提供食物、水和庇护。已有研究显示凤梨积水器原核生物多样性高，少量样本中可识别23–51个门，但利用高通量测序表征附生凤梨积水器原核群落的研究仍少，且多聚焦地面或近地凤梨；附生种类尤其是冠层垂直梯度上的群落受何因素影响尚不清楚。pH、铵离子、水温、水色与浊度、甲烷、藻生物量、积水器深度、植被或生境、冠层覆盖和碎屑等均可能影响原核群落；树上附着高度因采样困难而被忽视。为此，研究人员在热带安第斯生物多样性热点研究附生凤梨 Aechmea hoppii 和 A. nidularioides，检验森林更新阶段、树上高度、pH、植物大小、复杂度和物种对原核α/β多样性和功能群的影响。研究人员对63株附生凤梨中央积水器基部拭子进行16S rRNA扩增子测序，发现高度和植物大小影响α多样性，高度和pH解释β多样性小部分变异，功能群与多个变量呈复杂相关；该研究为附生凤梨积水器原核生物提供了基线，并表明这些高度多样且复杂的系统仍需进一步解析。

关键技术方法（不超过250字）：研究样本来自2018年1–2月和7–8月在厄瓜多尔Orellana的San José de Payamino（Timburi Cocha Research Station）采集的63株附生凤梨（56株 Aechmea hoppii 和7株 A. nidularioides），采集高度1.96–20.20 m；用无菌拭子擦拭中央积水器基部，记录pH和温度，并测量体积、最长叶、基围、叶数、森林类型和采样季节。DNA提取后扩增16S rRNA V4区（515F-Y/806R），在Illumina MiSeq上2×301 cycles测序；经Obitools和QIIME2/Deblur去噪、SILVA 138分类并构建系统发育树计算UniFrac距离；用FAPROTAX进行功能群注释；在R中以广义线性模型（GLMMs，原文如此）、置换多元方差分析（PERMANOVA）及Pearson/χ²检验分析。

研究结果：
3.1 Plant Characteristics（植物特征）：对63株的测量显示，积水器体积为80–1400 mL（均值389.36±245.86 SD），最长叶19–238 cm（141.48±40.22 cm），基围9–25 cm（14.34±3.05 cm），叶数8–29（17.98±4.20），pH 3.4–8.2（5.83±0.93），温度22.2–30.0°C（25.71±1.71°C），高度1.96–20.20 m（7.77±4.14 m），97.3%的凤梨高于2.5 m。
3.2 Total Diversity（总多样性）：对63株拭子16S rRNA数据去噪后共获4904个ASV（amplicon sequence variant，扩增子序列变体；包括未鉴定序列），隶属49个门；校正疑似标签跳跃（tag-jump）降低读数但不改变α/β多样性模式。
3.3 Prokaryotic Alpha Diversity（原核α多样性）：GLMM分析显示Observed Richness与所测变量无显著相关；Shannon和Inverse Simpson指数与高度、体积、最长叶和采样季节相关，且取决于所用指数。Shannon与高度负相关、与最长叶正相关、与采样季节负相关；Inverse Simpson与高度和体积（log）负相关、与采样季节负相关。
3.4 Prokaryotic Beta Diversity（原核β多样性）：基于Unweighted和Weighted UniFrac的PERMANOVA在ASV及family水平显示，树上高度和pH解释小而显著的变异；体积仅在Weighted UniFrac显著（ASV R²=0.026，p=0.038；family R²=0.028，p=0.040），在Unweighted UniFrac下不显著。
3.5 Funtional Diversity（功能多样性，原文如此）：FAPROTAX将1319个ASV归入功能群，3585个未分类；pH与最多功能群相关，正相关包括denitrification、nitrogen respiration、sulfur compound oxidation、chitinolysis、xylanolysis、fermentation、aerobic chemoheterotrophy和dark hydrogen oxidation，负相关为cellulolysis；高度负相关denitrification、nitrogen fixation和nitrogen respiration；温度与aromatic compound degradation相关；体积、最长叶、叶数和基围与methanogenesis、aerobic ammonia oxidation、nitrification、cellulolysis、photoheterotrophy、iron respiration、chlorate reduction及predatory或exoparasitic groups呈可变负相关，体积正相关aerobic chemotrophy和aromatic compound degradation，叶数正相关xylanolysis。分类变量上，fermentation在次生林强于原生林；季节和物种与多组功能群差异相关，A. nidularioides与methanotrophy、methanogenesis、methylotrophy、nitrogen fixation、cellulolysis、fermentation、aerobic chemoheterotrophy、aromatic compound degradation、hydrocarbon degradation及predatory或exoparasitic groups呈较强关联或解离。

讨论部分总结：作者指出凤梨原核群落在分类上独特但功能相似；本研究样本量较大，但仅取中央积水器底部表面，作者指出该取样可能未覆盖全部多样性。没有单一变量解释大部分变异；作者总结高度和体积较一致影响α/β多样性，pH和季节影响不同方面。高度方面，α多样性随高度下降，群落组成随高度变化；与O'Reilly-Berkeley等对同一批凤梨无脊椎动物的研究相似，原核群落组成随高度变化而丰富度模式不同；功能上高度负相关于氮循环相关群。大小方面，体积仅解释小部分β变异，α负相关较弱；功能上体积与分解相关群增加。pH方面，pH不影响α多样性但影响组成和功能，样本pH梯度大，功能群响应复杂。季节方面，两次采样间丰富度存在差异，但未测降水或温度变化，无法判断是否为季节性。作者强调需沿垂直梯度测量微气候并开展全年采样。
研究结论翻译：研究人员呈现了地球上生物多样性最丰富地区之一附生凤梨科植物内原核生物多样性的广泛而初步的图景。正如研究人员所预期，树上高度、pH和积水器体积影响原核生物群落组成，但采样季节影响凤梨科植物中ASV丰富度。然而，这些因素并未解释大部分群落变异。需要更多工作来理解凤梨科植物中的这些模式，尤其是向冠层上升时驱动群落组成变化的因素，这可能涉及沿垂直梯度测量微气候变异。此外，需要进一步工作来理解所测变量影响功能多样性的机制。总体而言，研究人员呈现了所选栖息地和植物特征如何影响附生凤梨科植物中原核生物群落的初步但复杂的图景，为进一步探索问题提供了基线。