跨方法与尺度的海洋浮游植物多样性与碳生物量关系变异性——基于高光谱遥感反射率Rrs(λ)色素建模、HPLC色素与18S rRNA基因的比较研究

《Environmental Microbiology》：Variability in the Relationship Between Ocean Phytoplankton Diversity and Carbon Biomass Across Methods and Scales

　　

陆地和海洋中多样化的生态系统被认为具有更高的生产力、稳定性和抗变化能力，但这些关系在不同系统与尺度之间表现出高度变异性。尽管生产力-多样性关系（Productivity-Diversity Relationship, PDR）在陆地上已被广泛探索，海洋生态系统中PDR的原位水体观测仍然有限。在本研究中，研究人员利用全球原位数据集，考察了浮游植物多样性与碳生物量（作为生产力的代用指标）之间的关系。研究人员针对三种浮游植物多样性指标评估了该关系的形态：基于高光谱遥感反射率（R_rs(λ)）建模的色素浓度、高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）测量的色素浓度，以及18S rRNA基因序列（真核生物）。基因测序方法能够提供更高分辨率的浮游植物群落分类信息，而遥感方法则能够在全球尺度上收集更高分辨率的时空信息。通过比较这些方法（R_rs(λ)建模色素与实测HPLC色素与18S rRNA基因序列），本研究表明浮游植物多样性与碳生物量之间的关系因评估这些参数的方法不同而存在变异性，并建立了原位观测的基线，该基线有潜力扩展至美国国家航空航天局（NASA）浮游生物、气溶胶、云和海洋生态系统（Plankton Aerosol Cloud ocean Ecosystem, PACE）卫星的全球观测。

**论文解读**

**一、研究背景**

生物多样性与生态系统功能之间的关系长期以来是生态学关注的核心课题。在陆地生态系统中，生产力-多样性关系已被广泛研究，然而由于海洋生态系统具有高度动态的物理环境，对其中稳定初级生产者群落的调查面临巨大挑战，因此针对开阔海洋的PDR研究仍不充分。海洋中的绝大部分初级生产力由浮游植物（phytoplankton）贡献，这些微型生物构成了海洋食物网的基础，并参与生物地球化学循环和碳封存过程。全球地球系统模型和实验室实验预测，海洋浮游植物的PDR呈单峰型（unimodal），即多样性在中等生产力水平达到最高。然而，已有的基于野外考察的原位研究——分别来自大西洋经向断面（AMT）和Tara Oceans项目——并未发现这一单峰关系：AMT研究观察到细胞尺寸多样性与总初级生产力之间呈单调递增关系，而Tara Oceans研究则发现分类多样性与叶绿素a浓度之间呈反向线性关系，两者分别对应理论单峰曲线的两侧。这种分歧部分归因于不同研究所采用的生产力和多样性代用指标各异，难以直接比较。此外，NASA于2024年2月发射的PACE卫星搭载的海洋水色仪（Ocean Colour Instrument, OCI）具备高光谱分辨率，为从太空表征全球海洋浮游植物群落组成提供了前所未有的能力。在此背景下，迫切需要利用一致的方法来系统评估浮游植物多样性与碳生物量之间的关系，并建立可扩展至卫星观测的原位基线。

**二、研究内容与意义**

研究人员利用一个包含324个配对样本的全球表层海洋数据集，比较了三种浮游植物多样性指标——高光谱遥感反射率R_rs(λ)建模色素、HPLC实测色素以及18S rRNA基因序列——与浮游植物碳生物量C_phyto（作为生产力的代用指标）之间的关系形态。结果表明，在类级别（class-level）的分类分辨率下，三种方法均揭示出浮游植物多样性与碳生物量之间呈一致的单峰关系，最高多样性出现在中等碳生物量水平。然而，当使用ASV级别（Amplicon Sequence Variant，扩增子序列变异）的高分辨率基因数据或不同的碳生物量代用指标（如颗粒后向散射b_bp(470)）时，该关系的形态发生明显改变。该研究的意义在于：（1）首次在统一框架下证实了海洋浮游植物PDR的单峰形态；（2）阐明了分类分辨率和碳生物量代用指标选择对关系形态的显著影响；（3）为利用PACE卫星数据在全球尺度上监测浮游植物多样性与碳生物量关系奠定了方法学基础。

**三、关键技术方法**

本研究的核心方法包括：（1）全球数据集构建：整合了五个大规模野外考察项目的表层海水（≤10m）样本，包括EXPORTS（北太平洋与北大西洋，2018-2021年，N=61）、Malaspina环球考察（热带至亚热带全球海洋，2010-2011年，N=128）、GEOTRACES GA10航次（南大西洋，2010年10-11月，N=7）、Tara Oceans与Tara Polar（全球各大洋盆地，2009-2014年，N=107）以及NAAMES（西北大西洋，2015-2018年，N=21），共计324个配对样本；（2）光谱导数色素（Spectral Derivatives Pigment, SDP）模型：从高光谱R_rs(λ)建模13种浮游植物色素浓度；（3）HPLC色素测定与层次聚类分析：基于12种辅助色素与总叶绿素a的比值，采用相关距离和Ward联结法将浮游植物分为甲藻、硅藻、绿藻、定鞭藻和蓝细菌五个类群；（4）18S rRNA基因高通量测序：针对真核光合浮游植物，将ASV归并为13个主要分类纲；（5）碳生物量计算：基于总叶绿素a浓度，同时以颗粒后向散射b_bp(470)作为替代指标进行对比；（6）Shannon-Weaver多样性指数计算；（7）基于网络的群落检测分析（network-based community detection）；（8）方差分析（ANOVA）统计检验。

**四、研究结果**

**（一）全球表层海洋浮游植物群落组成：色素与18S rRNA基因的相似模式**

尽管HPLC色素与18S rRNA基因序列在分类分辨率上存在本质差异——前者仅能区分五个浮游植物类群，后者则可分辨13个分类纲乃至数百至数千个ASV——但两种方法在全球尺度的群落检测分析中均分离出三个相似的浮游植物群落。HPLC色素数据分离出三个群落（模块度0.33），其中群落1以高比例的岩藻黄素/总叶绿素a（Fuco/Tchla）为特征，群落2以高比例的玉米黄素/总叶绿素a（Zea/Tchla）和二乙烯基叶绿素a/总叶绿素a（DVchla/Tchla）为特征，群落3以高比例的单乙烯基叶绿素b/总叶绿素a（MVchlb/Tchla）为特征（ANOVA, p<0.001）。18S rRNA基因数据同样分离出三个群落（模块度0.28），且各群落的平均色素组成与HPLC群落高度一致。直接比较显示，81%的样本（324个中的262个）被两种方法分配至相同群落。在地理分布上，赤道区域和亚热带环流以群落2为主，而海岸和高纬度区域以群落1为主。

**（二）海洋浮游植物多样性与碳生物量关系的单峰形态**

研究人员分别基于三种方法计算Shannon多样性指数并绘制其与C_phyto的关系。结果显示：R_rs(λ)建模色素的多样性-碳生物量关系（N=162）呈现清晰的单峰分布（正态高斯拟合R²=0.65），与Vallina等人基于浮游植物显微数据的模型预测高度吻合；HPLC色素（N=324）的多样性-碳生物量关系同样呈单峰型（R²=0.27，峰中心log₁₀C_phyto=1.53）；18S rRNA基因类级别（N=324）的关系虽较离散但也呈单峰趋势（R²=0.07，峰中心log₁₀C_phyto=1.56）。在区域尺度上，单一考察项目的数据往往仅能捕捉单峰曲线的一侧：例如Malaspina数据集（热带/亚热带）呈单调递增趋势，而EXPORTS数据集（亚极地）则呈单调递减趋势。

**（三）多样性与碳生物量代用指标对关系形态的影响**

当使用ASV级别18S rRNA基因数据计算多样性指数时，Shannon指数值域由类级别的0~3扩展至3~9，原有单峰关系在很大程度上被掩盖，且在低碳生物量区域出现大量高多样性样本，与Ibarbalz等人基于高分辨率基因组测序的全球调查结果一致。此外，以b_bp(470)替代叶绿素a来计算C_phyto（在NAAMES和EXPORTS子集中，N=样本数），也改变了关系形态：若干基于叶绿素a被归类为高多样性、低碳生物量的样本，在基于b_bp(470)的评估中被重新定位，因为叶绿素a在这些样本中高估了浮游植物碳。这一发现印证了叶绿素a浓度作为碳生物量代用指标的固有局限性。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，本研究揭示的方法间高变异性凸显了在变化的世界中采用一致性方法进行全球监测的重要性。两个层面的尺度问题对PDR形态具有决定性影响：其一是地理尺度——全球综合数据集呈现完整单峰曲线，而单一考察项目仅能捕捉单侧趋势；其二是分类分辨率——ASV级别的精细分类几乎完全掩盖了类级别所呈现的单峰关系。尽管遥感方法（如PACE OCI的高光谱R_rs(λ)）可提供无与伦比的时空覆盖，但在分类深度上远不及DNA宏条形码（metabarcoding）；反之，分子方法虽能解析精细分类，但目前尚无法与卫星遥感的大范围连续观测相衔接。未来研究的最佳路径在于整合多种方法，兼顾时空广度与分类深度。此外，在气候变化背景下，浮游植物多样性预计将在高纬度区域遭受最强烈的影响，而该区域正是当前生物碳泵输出效率最高的地方，因此多样性的丧失可能严重削弱海洋碳封存功能。

研究结论：本研究表明，需采用跨全球尺度的一致性方法，才能捕捉浮游植物多样性与碳生物量之间相关变异的真实图景。研究人员将原位方法与光学方法相结合，旨在理解浮游植物多样性、碳生物量和生产力在广阔空间尺度上的关系，同时保持适当的分类分辨率。本文所用数据集代表了十余年来在全球海洋中跨时空收集高质量配对样本的研究成果。与陆地植物不同，海洋浮游植物存在于一个在长时间尺度上大多处于稳态的动态物理系统中，但在离散采样瞬间系统未必处于稳态。评估浮游植物生物地理学在相关时间尺度上的真实变异需要每日全球尺度的数据采集，卫星遥感使之成为可能——尽管在此时空尺度上会损失分类分辨率。通过将高分辨率的浮游植物群落组成指标与遥感可获取变量相结合，本研究探讨了从太空评估浮游植物多样性与碳生物量的优势与局限。然而，当前研究仅限于卫星可见的海洋真光层，鉴于海洋许多区域的大部分碳生物量分布于卫星不可见的深度，未来需进一步评估上述关系随深度的变异性。此外，后续研究可整合浮游动物摄食和物理混合（湍流等）信息，以考察自上而下与自下而上的调控因素如何影响生物体在此单峰关系中的分布。总而言之，浮游植物多样性与碳生物量关系在原位方法与遥感方法之间的广泛一致性，为未来全球应用奠定了动力，但在理解分类复杂程度、碳生物量代用指标、生物量与生产力之间的关系以及采样深度范围如何影响这些变量之间的关系时，仍需保持审慎。