栖息地介导的颗粒附着型细菌与真核浮游生物季节性耦合及基因组分化机制

《Microbiome》：Networks and genome-resolved analyses reveal persistent particle-mediated coupling between prokaryotes and eukaryotic plankton

　　

摘要

背景

细菌浮游生物与真核浮游生物之间的相互作用通常是通过短暂的藻华现象来推断的，但在自然季节变化下这种耦合关系是否持续存在、以及哪些特征能够维持它，仍不清楚。我们在南海沿海岸外海水进行了为期一年的年度周期季节性采样，将颗粒附着型（PA，> 3 μm）和自由生活型（FL，0.2至3 μm）原核生物分离开来，并整合了基于18S/16S rRNA基因的群落分析、原核-真核关联网络分析以及基因组分辨率宏基因组学技术。

结果

颗粒附着型（PA）多样性与真核生物多样性紧密关联（Pearson's r = 0.459，p < 0.05），而自由生活型（FL）多样性相对较为稳定且耦合较弱（r = 0.194，p = 0.4）。网络分析显示，PA-真核生物之间正性关联远多于自由生活型网络（PA-真核正性关联为2,521,013个，负性关联为15,126个；自由生活型网络正性关联为1,451,947个，负性关联为18,434个），表明跨季节反复存在由颗粒介导的促进作用。功能对比表明，颗粒附着型群落在七个KEGG通路中富集，提示其具有更广泛的碳氮代谢潜力、增强的能量保存能力以及抗生素和毒素类次级代谢产物的生物合成增加。从120个高质量MAG（宏基因组组装基因组）中分析发现，PA基因组显著大于FL基因组，且在系统发育上配对的PA-FL组合中，与PA相关的趋化性、生物膜形成与分泌系统、聚合物加工能力、呼吸灵活性以及解毒功能均表现出扩张。从进化角度看，这些近缘对比表明栖息地驱动的基因组分化：在斑块状且竞争性强的颗粒微栖息地中的持续选择压力有利于获得或保留代价较高的相互作用及代谢广度特征。

结论

综合以上网络与基因组分辨率分析结果，支持了一种基于生态位的解释：真核生物衍生的颗粒充当了持久性的微栖息地界面，增加了栖息地异质性，并通过筛选作用选择了适应颗粒环境的相互作用工具箱，从而在季节演替过程中加强了颗粒附着型与真核生物之间的耦合关系。

视频摘要

背景

细菌浮游生物与真核浮游生物之间的相互作用通常是通过短暂的藻华现象来推断的，但在自然季节变化下这种耦合关系是否持续存在、以及哪些特征能够维持它，仍不清楚。我们在南海沿海岸外海水进行了为期一年的年度周期季节性采样，将颗粒附着型（PA，> 3 μm）和自由生活型（FL，0.2至3 μm）原核生物分离开来，并整合了基于18S/16S rRNA基因的群落分析、原核-真核关联网络分析以及基因组分辨率宏基因组学技术。

结果

颗粒附着型（PA）多样性与真核生物多样性紧密关联（Pearson's r = 0.459，p < 0.05），而自由生活型（FL）多样性相对较为稳定且耦合较弱（r = 0.194，p = 0.4）。网络分析显示，PA-真核生物之间正性关联远多于自由生活型网络（PA-真核正性关联为2,521,013个，负性关联为15,126个；自由生活型网络正性关联为1,451,947个，负性关联为18,434个），表明跨季节反复存在由颗粒介导的促进作用。功能对比表明，颗粒附着型群落在七个KEGG通路中富集，提示其具有更广泛的碳氮代谢潜力、增强的能量保存能力以及抗生素和毒素类次级代谢产物的生物合成增加。从120个高质量MAG（宏基因组组装基因组）中分析发现，PA基因组显著大于FL基因组，且在系统发育上配对的PA-FL组合中，与PA相关的趋化性、生物膜形成与分泌系统、聚合物加工能力、呼吸灵活性以及解毒功能均表现出扩张。从进化角度看，这些近缘对比表明栖息地驱动的基因组分化：在斑块状且竞争性强的颗粒微栖息地中的持续选择压力有利于获得或保留代价较高的相互作用及代谢广度特征。

结论

综合以上网络与基因组分辨率分析结果，支持了一种基于生态位的解释：真核生物衍生的颗粒充当了持久性的微栖息地界面，增加了栖息地异质性，并通过筛选作用选择了适应颗粒环境的相互作用工具箱，从而在季节演替过程中加强了颗粒附着型与真核生物之间的耦合关系。

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