复杂水生系统中皮古真核生物群落结构与形成的季节性驱动因素：以长江口和东海为案例研究

《Marine Pollution Bulletin》：Seasonal drivers of picoeukaryotic community structure and assembly in complex aquatic systems: A case study of the Changjiang (Yangtze) River Estuary and East China Sea

　　•季节性水动力状况决定了微真核生物群落的结构与形成方式。•冬季的水体混合会减弱水体差异性，从而提升随机过程的作用。•夏季的层化现象则会增强确定性过程及水体差异性的影响。•寄生性的Syndiniales类群在两个季节都起着关键的网络作用。•关键物种在冬季为广布型，而在夏季则呈现区域化分布。

引言
微真核生物包括多种直径在2–3微米以下的微观真核生物（Man-Aharonovich等人，2010年；Massana，2011年；de Vargas等人，2015年）。它们普遍存在，种类极为丰富，且对生物地球化学循环和能量流动有着重要贡献，因此是海洋生物群落中不可或缺的组成部分（Massana等人，2015年）。作为微真核生物中的重要一类，微小的真核藻类对海洋初级生产具有关键作用（Grob等人，2007年；Falkowski等人，2008年；Hartmann等人，2012年）。与此同时，小型异养微真核生物则是海洋食物网中的重要消费者，它们通过主动摄食来调控原核生物的动态（Hartmann等人，2012年；Latorre等人，2021年）。随后，较大的鞭毛虫和纤毛虫以这些小型异养原生生物为食，进而推动物质和能量向更高营养级传递（Samuelsson和Andersson，2003年）。此外，某些属于微小尺寸范围的真菌还能促进残留有机物的分解，从而为养分循环做出重要贡献（Hyde等人，1998年；Sen等人，2022年）。这些复杂的营养关系凸显了微真核生物在海洋微生物循环中能量传递过程中的关键作用（Azam等人，1983年）。

由于体积微小且为单细胞生物，微真核生物对环境变化极为敏感。其群落组成会受到多种因素的影响，包括地理距离（Balzano等人，2015年）、深度（Villarino等人，2018年）、温度（Wang等人，2021年）、盐度（Jiao等人，2002年）、溶解氧含量（Piscoya等人，2022年）、养分可用性（Qiu等人，2010年）以及生物间的相互作用（Sun等人，2022年）。鉴于它们本身运动能力有限，微真核生物群落的空间分布很大程度上受水文动态的影响，比如河流径流和水体流动（Piwosz等人，2018年；Wang等人，2021年）。此外，不同水体的差异性还会形成多种环境梯度，这些梯度会对其中的生物产生不同的选择压力。因此，时空变异性和水体动态被公认为是决定微真核生物群落结构的主要因素（Metfies等人，2016年；Wang等人，2021年）。季节更替会进一步增加复杂性，因为它会改变局部的水文和环境条件，进而引发群落动态的变化（Zheng等人，2022年）。例如，在珠江口近岸水域，早春时盐度超过30，河流径流的影响较小，此时的浮游植物群落主要由微型和纳米型细胞构成。然而到了初秋，随着河流径流的增加，蓝藻和微真核生物便成为该微生物群落中的主导物种（Qiu等人，2010年）。因此，研究在复杂水文梯度条件下微真核生物群落的季节性空间分布及其环境驱动因素，对于理解海洋微生物生态学具有重要意义。

尽管在沿海、河口和开阔海域中已有研究记录了微真核生物的丰度、多样性及分类组成的季节性变化，但形成这些变化的生态过程至今仍未完全阐明。以往的研究表明，微真核生物群落会因季节性变化的淡水径流、沿海洋流、水温、养分可用性以及水柱混合程度而发生显著变化（Jing等人，2010年；Kellogg等人，2019年；Rii等人，2022年）。不过，这些研究大多仅侧重于描述丰度、多样性或群落组成的季节性变化，以及分析它们与环境变量之间的相关性。而对于所观察到的季节性更替究竟是由环境选择等确定性过程还是由扩散限制和生态漂变等随机过程所导致，相关研究则相对较少。

已有明确研究微生物真核生物群落形成机制的研究表明，海洋学结构、水体历史、环境过滤作用、物种筛选机制、扩散限制以及生态漂变等因素都会影响群落的构成（Monier等人，2015年；Logares等人，2018a、2018b；Wu等人，2018年；Sun等人，2020年；Xu等人，2022年）。然而，这些研究大多关注的是空间梯度、非河口生境或特定的微真核生物类群，而非整个河口微真核生物群落的季节性变化。例如，以往的研究曾针对北极水域、南极水系、亚热带海洋梯度、台湾海峡以及不同纬度带进行了群落形成过程的研究。在沿海原核生物群落中，也有研究探讨了确定性和随机性形成过程的季节性变化（Wang等人，2020年），但针对河口微真核生物的类似分析仍然较少。

作为全球第三大河流，长江向东海输送了大量淡水、沉积物和养分（Li等人，2007年）。在东海内部，长江稀释水、台湾暖流以及中国沿岸流之间的复杂相互作用，推动了极为活跃的物理、化学和生物过程（Ichikawa和Beardsley，2002年；Gao等人，2017年；Liu等人，2021年）。作为西北太平洋最大的边缘海，东海具有明显的季风环流特征（Lee和Chao，2003年）。夏季时，长江口及周边东海区域常常会出现水层分层现象（Chen等人，2003年；Lie等人，2003年；Jiang等人，2015年）。这一现象主要是由长江带来的大量淡水流入所致，淡水降低了表层盐度，形成了明显的垂直盐度梯度。同时，表层太阳辐射还会进一步加剧这种分层现象。相反，在冬季，来自西伯利亚的寒冷干燥的东北季风通常会增强中国沿岸流的强度（Chen，2009年）。这些强劲的季风风会形成强大的表层洋流，将富含养分的寒冷海水向南输送，对沿海生态系统产生显著影响（Chen，2009年）。此外，这些沿海洋流的增强还会提升海洋混合程度，从而促进水柱的重新充氧，为多种海洋生物提供生存条件（Zhang等人，2020年）。这些强洋流还会带动底栖颗粒物质和沉积物的悬浮与输送，进而影响生物地球化学过程。因此，长江口及周边东海区域为研究不同的水动力条件——尤其是冬季的垂直混合与夏季的分层现象——如何影响环境异质性、扩散条件、生态位分化以及微真核生物群落的形成，提供了理想的自然研究场所。

由于微真核生物体积微小，且缺乏明显的形态学鉴别特征，传统的基于显微镜的方法难以准确分析其多样性和群落结构。为克服这一局限，本研究采用了SSU rRNA基因V4高变区的高通量测序技术，来研究在不同冬季和夏季水文条件下的长江口及周边东海区域的微真核生物群落。我们推测，冬季的水体混合会降低环境差异性，提升随机过程的作用；而夏季的层化现象则会增强环境差异性，使确定性环境选择的作用更加突出。通过综合分析这些生态学层面因素，本研究旨在全面了解在复杂的河口-滨海-大陆架系统中，不同的水动力条件如何重塑微真核生物群落及其形成过程。

样本采集与环境因子分析
2015年12月（冬季）和2016年8月（夏季），我们在长江口及周边东海大陆架进行了野外采样工作。采样是在“润江一号”科考船上进行的。在每个采样点，我们分别从表层（2米深）、中层（10–15米深）以及接近海底的不同深度层（具体深度取决于该区域的总水深）采集海水样本。同时，我们还使用Sea-Bird型电导率-温度-深度传感器来记录现场的水深、盐度、温度和溶解氧含量。

水体类型的判定
根据温度和盐度数据，我们在夏季和冬季的采样区域内识别出了四种主要的水体类型（见图1）。第一种水体被称为长江稀释水，它是由于长江径流与东海海水混合而形成的，其盐度明显较低。在冬季，长江稀释水的盐度（29.5 ± 0.62，均值±标准差）和温度（12.8 ± 1.74℃）在所有水体类型中都是最低的（见表S1）。在夏季，它的盐度仍为各水体类型中最低的。

微真核生物的群落组成与共现网络
在微小尺寸的样本中，检测到了属于后生动物门序列的基因片段，其中大部分可归类为节肢动物门（见图S4）。考虑到相应生物的体型和细胞大小，这些序列不太可能是生活在微小尺寸环境中的完整后生动物。更有可能的是，这些水生环境DNA来源于通过排泄、组织脱落、死亡、捕食或分解等方式释放出的细胞或遗传物质（Geisen等人，2015年）。这类DNA可能以溶解状态存在于水中。

结论
在长江口及周边东海区域，季节性的水文条件与微真核生物群落形成的不同模式之间存在密切关联。冬季的垂直混合会减弱不同水体类型和不同深度层之间的环境差异，扩大生物的生态位范围，同时提升随机过程的作用，尤其是扩散限制和生态漂变。相比之下，夏季的层化现象则会维持不同的环境条件。

作者贡献声明
李冉：论文撰写——初稿、可视化处理、结果验证、研究分析、正式分析。范文欣：研究分析、正式分析。郭向辉：资源协调、研究工作。白岩：资源协调、研究工作。孙平：论文撰写——审阅与编辑、资源协调、正式分析。焦念之：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、资源协调、资金申请。徐大鹏：论文撰写——审阅与编辑、论文初稿撰写、研究指导、项目管理、资金申请。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42188102和42276095）以及科技部“全球海洋负碳排放”项目的资助。李冉还获得了MEL访问学者基金（MELRS2234）以及山东省自然科学基金（项目编号ZR20230D167）的资助。我们还要感谢黄世祥和张一哲在野外采样工作中给予的帮助。

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