区域性的共有分类群及局部结构特征决定了西北地中海地区夏季细菌浮游生物群落的形成

《Marine Environmental Research》：Regionally shared taxa and local structuring define summer bacterioplankton communities in the north-western Mediterranean

　　摘要：
沿海区域是生产力极高的生态系统，但同时面临着环境条件的变化和多种人为压力的影响。细菌浮游生物在这些水域中扮演着关键角色，因为它们能够快速响应环境扰动，并作为生态系统变化的指标。然而，关于陆地来源的输入如何影响沿海细菌浮游生物群落的研究仍然有限。此外，大多数研究主要集中在自由生活（FL）的细菌群落上，而对与颗粒物相关的（PA）群落关注较少，尽管后者在遗传、代谢和生态特性上具有独特性。本研究调查了西北地中海四个沿海-近海剖面中夏季FL和PA细菌群落的结构。这些剖面反映了不同程度的陆地影响，包括城市化、农业和河流输入。细菌浮游生物的组成与环境条件同时进行了分析。alpha多样性没有显示出一致的空间模式，而群落组成在沿海和近海水域之间普遍存在差异，PA群落在样本间的相似性较低，表明它们对局部条件更为敏感。尽管如此，在大多数剖面中，沿海扩增子序列变异体（ASVs）占近海FL序列的80%，但在赫罗纳地区，局部淡水信号与细菌多样性的变化相吻合。在近海FL群落中，有一个广泛存在的细菌分类单元池，占所有读取数据的70%以上，而PA群落则更具变异性且具有地点特异性。尽管ASV存在广泛共享，但局部环境条件仍然是影响群落结构的重要因素。总体而言，我们的结果表明，沿海-近海环境梯度影响FL和PA细菌浮游生物群落，但PA群落表现出更大的空间异质性和更强的地点特异性差异。这些发现强调了生活方式是调节细菌浮游生物对环境变化和陆地压力反应的关键因素。

引言：
沿海区域是许多海洋生物的繁殖、育苗和补充场所（Barbier等人，2011；Vasconcelos等人，2011）。这些环境具有重要的社会经济价值，支持工业、贸易、休闲活动以及不断增长的城市人口。它们还提供重要的生态系统服务，包括养分循环和食物供应（Costanza等人，1997）。同时，沿海生态系统受到人类活动的严重影响，如渔业、旅游业以及商业和休闲航运。此外，它们还受到河流和地下水输入的影响，是全球变化最先影响的海洋区域之一（Nogales等人，2011；Vasconcelos等人，2011）。有效的综合沿海管理需要对这些动态且复杂的生态系统有全面的理解（Flo等人，2011；Leach等人，2018）。理解这些系统的关键在于细菌浮游生物群落的结构和组成，它们在维持生态系统平衡中起着至关重要的作用。这些群落驱动了重要的生物地球化学过程，如碳和氮的固定，并负责有机物的再矿化，确保养分循环并构成海洋食物网的基础。细菌浮游生物群落表现出不同的生态生活方式，包括自由生活（FL）和与颗粒物相关的（PA）形式，它们在遗传、代谢和生态上存在差异（Grossart等人，2010；Mestre等人，2017；Salazar等人，2015；Yeh和Fuhrman，2022；Ferrera等人，2024）。鉴于它们作为海洋健康哨兵的作用，了解这些群落如何响应自然因素（如温度和盐度）以及人为干扰（包括污染和栖息地退化）至关重要（Stewart等人，2008）。许多研究了环境梯度如何影响河口（Ghosh和Bhadury，2019）、沿海过渡区（Fortunato等人，2012；Doherty等人，2017）和海洋盆地（Fuhrman等人，2008；Ferrera等人，2016；Sebastián等人，2021）中的细菌浮游生物分布。然而，自然因素与人为压力对细菌浮游生物分布的相对影响仍知之甚少，大多数研究主要集中在FL部分，对PA群落的关注较少。在这种情况下，沿海水域特别值得关注，因为它们的环境条件复杂且变化较大。这些区域受到多种相互作用因素的影响，包括海洋学、大气、地质和生物过程。它们的物理特性受到海底地形、沿海地貌和陆地输入的强烈影响。直接的空气-海水通量以及洋流和波浪与海岸边界的相互作用，在这些水域中产生了高度动态的能量通量（Bird，2008）。此外，来自陆地的物质（如营养物质、金属和有机物）在调节化学相互作用中起着关键作用。这些往往局部化的过程在相对较小的空间尺度上产生了多样的环境梯度，从而影响细菌浮游生物群落。描述在环境变化强烈的地区（如沿海水域）中这些群落的分布模式，将有助于我们更好地理解人为和气候因素如何塑造沿海生态系统（Basterretxea等人，2018）。在这里，我们表征了西北地中海沿岸梯度上自由生活和与颗粒物相关的细菌浮游生物群落的组成和结构。采样工作在夏季进行，那时寡营养条件普遍存在。通过Illumina测序16S rRNA基因来评估群落组成，而流式细胞术用于量化微生物细胞数量。特别地，我们比较了位于加泰罗尼亚和巴利阿里海岸（赫罗纳、巴塞罗那、塔拉戈纳和马略卡岛帕尔马）的四个沿岸剖面上的8-10个站点的群落，每个站点受到不同程度的陆地影响。我们分析了每个剖面内沿海和近海样本中的扩增子序列变异体（ASVs）的发生情况，并评估了它们在数百公里范围内跨越加泰罗尼亚-巴利阿里盆地的不同剖面间的共现情况。我们考虑了两种空间构建情景：第一种情景下，不同剖面的近海群落彼此更为相似，而非与其对应的沿海群落相似；这表明在相对均质的近海条件下，陆地输入的影响较弱。第二种情景下，同一剖面内的群落彼此更为相似，而与其他剖面的群落相比则不然；这种模式表明局部水文、洋流驱动的传输和共享的环境历史对群落结构的影响大于一般的沿海-近海梯度。

研究区域：
采样工作于2014年7月和2015年7月在巴利阿里和加泰罗尼亚海岸的四个区域进行，涵盖了从主要农业区到高度城市化的各种沿海环境。选择夏季进行采样是因为此时淡水输入最少，主要限于河流和地下水排放（SGD）。这些条件应该允许在淡水影响减小的情况下表征细菌浮游生物群落。

环境设置：
每个剖面的温度相对稳定，靠近岸边的温度略有升高，反映了浅水区热量的积累。近岸区域的升温范围为0.19至1.67°C，其中帕尔马的温差最大，平均温度也最高（29.5°C）。所有数值都在西北地中海典型的夏季温度范围内，但不同剖面的平均温度差异较大。

讨论：
本研究考察了夏季西北地中海沿海-近海梯度上微生物细菌浮游生物的精细空间结构，此时由于季节性河流排放量少和流量调节，淡水输入量普遍减少（除了罗讷河和埃布罗河等主要河流系统）。在这种条件下，城市污水和地下水排放（SGD）可以为原本寡营养的沿海水域提供养分。

结论：
加泰罗尼亚-巴利阿里海域的细菌浮游生物群落受到沿岸环境梯度、地理位置和微生物生活方式的影响。尽管四个研究区域之间共享了许多分类单元，但在不同剖面间的群落组成存在差异，尤其是在陆地影响最强的沿海水域。盐度、距岸距离、温度和养分可用性成为这些模式的主要驱动因素，突显了环境的重要性。

作者贡献声明：
Esther Garcés：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。
Gotzon Basterretxea：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。
Marta Sebastián：撰写——审稿与编辑、初稿编写、可视化、方法学、正式分析、概念化。
Josep M. Gasol：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、正式分析、概念化。
Carolina Marín-Vindas：撰写——审稿。

未引用参考文献：
Bi?i?-Ionescu等人，2015；Martiny等人，2011。

利益冲突声明：
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性：
序列数据已提交至欧洲核苷酸档案库（www.ebi.ac.uk/ena），访问号为PRJEB38800。

资助：
本研究得到了GRADIENTS项目（CTM2012-39476）对E. Garcés和G. Basterretxea的支持，以及MIAU项目（RTI2018-101025-B-I00）对JMG的支持，这两个项目由西班牙研究机构（Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades）资助。Carolina Marín Vindas获得了哥斯达黎加国立大学的博士学位资助。ICM的作者获得了Severo Ochoa卓越奖（CEX2024-001494-S）的支持，Gotzon Basterretxea获得了Maria de Maetzu奖（CEX2021-001198）的支持。

致谢：
我们感谢ICM-CSIC的海洋生物信息学平台（MARBITS；https://marbits.icm.csic.es）提供的计算资源。同时感谢ICM和IMEDEA的所有成员对采样工作的贡献以及提供的辅助数据。我们衷心感谢Jordi Camp持续的知识支持和启发。最后，我们感谢两位匿名审稿人提出的建设性意见和富有洞察力的建议，这些意见显著改进了本文的质量。

作者团队：
Isabel Ferrera | Carolina Marín-Vindas | Adrià Auladell | Albert Re?é | Elisabet Alacid | Gotzon Basterretxea | Esther Garcés | Josep M. Gasol | Marta Sebastián