《Ocean Microbiology》：Comparable temperatures but different microbiomes: long-term time series exposes seasonally divergent Baltic Sea prokaryotic communities
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海洋微生物组在许多海域表现出季节性动态。虽然研究人员能够描述海洋微生物组的生物多样性和组成，但对环境驱动因素如何塑造海洋微生物的季节性演替仍缺乏系统性理解。为了利用波罗的海温带水域生长条件的显著时间变化，研究人员在此报告了林奈微生物观测站（LMO）13年来原核
海洋微生物组在许多海域表现出季节性动态。虽然研究人员能够描述海洋微生物组的生物多样性和组成，但对环境驱动因素如何塑造海洋微生物的季节性演替仍缺乏系统性理解。为了利用波罗的海温带水域生长条件的显著时间变化，研究人员在此报告了林奈微生物观测站（LMO）13年来原核浮游生物群落的动态，重点关注自由生活型（FL；0.2–3 μm组分）和颗粒附着型（PA；>3 μm组分）原核生物。如预期所示，研究分析显示PA组分比FL组分具有更高的多样性，且绝大多数16S rRNA基因扩增子序列变异体（ASVs）始终处于稀有状态。然而出乎意料的是，大多数丰度较高的ASVs也在一年中的较长时间段内转变为稀有生物圈。PA和FL组分中的原核生物均表现出显著的季节性动态，从门水平到ASV水平，两个组分之间存在显著差异。丰度高的ASVs与多种环境驱动因子密切相关，包括营养盐浓度、盐度和温度。引人注目的是，在春季和秋季温度相近时（例如12 °C），群落组成却截然不同。这突显了特定温度值本身虽具参考价值，但温度及其他环境驱动因子的变化轨迹（由低到高、由高到低）值得生态学研究关注。研究数据表明，温带地区原核浮游生物群落的组成在很大程度上取决于温度和白昼时长数值以外的因素，包括群落的历史、环境变化的方向、有机和无机营养盐的定性与定量水平，以及生物间相互作用。
一、研究背景与科学问题
海洋微生物在生物地球化学循环中发挥着核心作用，其群落组成的时空动态对于理解微生物生态系统服务的调控机制至关重要。长期海洋时间序列研究揭示了不同海域表层微生物组的巨大多样性和微生物演替规律，证明了古菌、异养细菌、光异养细菌、病毒和原生生物中存在季节性丰度动态和周期性重现的群落成员。这些动态在很大程度上多年重复出现，凸显了环境驱动因子和微生物互作在塑造微生物群落动态中的重要性。
然而，目前仍缺乏对环境驱动因子如何系统性地塑造海洋微生物季节性演替的系统性理解。特别是，大多数多年时间序列研究主要关注自由生活型群落（经数微米预过滤后获得）或未过滤的全水样，而对颗粒附着型原核生物的长期动态及其与自由生活型群落的差异了解有限。此外，尽管温度常被识别为与微生物群落组成变化高度相关的因子，但具体温度值本身是否足以预测群落组成，还是需要考虑温度变化的方向（升温 vs 降温）以及其他环境因子的协同作用，这一问题尚未得到充分解答。
为填补上述空白，本研究依托波罗的海温带水域的显著季节性变化，利用林奈微生物观测站（LMO）长达13年的连续采样数据，系统比较了自由生活型（FL；0.2–3 μm）和颗粒附着型（PA；>3 μm）原核生物群落的动态特征，旨在回答三个核心问题：（1）两个滤膜组分间的群落是否存在差异；（2）波罗的海原核生物是否具有受环境驱动因子影响的季节性和/或粒径组分相关生态位；（3）群落是否沿温度和光周期梯度表现出方向依赖性动态。
二、主要研究方法与技术
研究人员在波罗的海西部本体的LMO站位（N 56° 55.8540’，E 17° 3.6420’）于2011年至2023年间采集2米深度的海水样品。采用分级过滤策略，先后通过3.0 μm孔径聚碳酸酯滤膜收集颗粒附着型（PA）组分，再通过0.2 μm SterivexTM滤膜收集自由生活型（FL）组分。对提取的DNA进行16S rRNA基因V3-V4可变区扩增，使用Illumina MiSeq平台进行双端测序，并通过nf-core/ampliseq流程结合DADA2算法处理原始数据以获得扩增子序列变异体（ASVs）。分类注释采用SBDI-GTDB数据库和SILVA数据库。下游统计分析在R环境中完成，包括使用breakaway包估算α多样性、基于Bray-Curtis相异度的距离冗余分析（db-RDA）评估环境因子与群落组成的关联、利用粒子关联生态位指数（PAN-index）量化ASVs对粒径组分的偏好，以及采用广义加性模型（GAMs）检验群落丰度沿温度和光周期梯度的方向依赖性动态。
三、主要研究结果
1. 不同滤膜组分间ASV分布的差异
研究人员共分析了726个16S rRNA基因扩增子样本，检测到超过67,000个原核ASVs。PA组分的估计丰富度和观测丰富度在所有季节均显著高于FL组分，冬季PA的多样性最高，而FL在春夏季的平均观测丰富度最低。然而，逆辛普森指数和香农指数仅在冬季显示出两个组分间的显著差异，表明虽然PA含有更多ASVs，但群落的均匀度在两个组分间总体可比。
2. 原核生物群落的季节性特征
PA组分中，蓝细菌纲（Cyanobacteriia）在夏季占据绝对优势（相对丰度可达90%以上），而在FL组分中由于丝状类群的排除仅占约30%。放线菌纲（Actinomycetes）在FL中从冬季到秋季逐渐增加，拟杆菌纲（Bacteroidia）在FL中于春季达到峰值。值得注意的是，弯曲菌纲（Campylobacteria）在某些冬季（如2011/12年和2014/15年）出现异常高峰，恰与北海深层水流入波罗的海的大事件时间吻合。Bray-Curtis相异度分析显示了每年重现的六个月的滞后峰值模式。距离冗余分析（db-RDA）表明，温度和光照时长是两个组分共有的显著结构因子，磷酸盐和铵盐也发挥重要作用，而叶绿素a（Chla）和硅酸盐则仅在PA中成为显著驱动因子。
3. 颗粒附着生态位
通过PAN指数分析发现，共有ASVs中具有强颗粒附着倾向（PAN > 0.5）的ASVs数量多于强自由生活倾向的ASVs。在科水平上，α变形菌纲（Alphaproteobacteria）中既有偏向PA的科（如根瘤菌科Rhizobiaceae和柄杆菌科Caulobacteraceae），也有偏向FL的科（如红螺菌科Rhodospirillaceae和远洋杆菌科Pelagibacteraceae）。拟杆菌纲和γ变形菌纲（Gammaproteobacteria）的大多数科均表现出高PAN指数，偏向PA组分。黄杆菌科（Flavobacteriaceae）和伯克霍尔德菌科（Burkholderiaceae）则呈现出宽广的PAN指数范围，暗示其内部ASVs具有多样的生活方式。蓝细菌门（Cyanobacteriota）中，丝状科（如念珠藻科Nostocaceae和色球藻科Xenococcaceae）具有高PAN指数，而非丝状科则相反。
4. 最丰富ASVs的季节动态
绝大多数ASVs属于稀有类群（平均相对丰度低于0.7%）。丰度最高的ASVs来自蓝细菌纲（Dolichospermum和Cyanobium）和酸微菌纲（Acidimicrobiia，BACL27），其季节性峰值可达到40%的相对丰度。虽然两个组分的Top 50 ASVs在两组分中均有检出，但丰度分布极不均衡。例如，最丰富的Dolichospermum ASV在PA中丰度极高而在FL中极低，而JACQGT01、BACL27、UBA10365和Aquiluna等ASV则在FL中更占优势。大多数ASVs呈现每年重现的峰值模式，随后降至极低背景浓度甚至检测限以下。环境因子相关性分析显示，磷酸盐与PA和FL中分别有21个和18个ASVs呈正相关，而叶绿素a和硅酸盐仅与各组分中1个ASV相关。
5. 沿温度和光周期梯度的方向依赖性动态
通过对相对丰度>10%的ASVs进行聚类分析，在FL中获得10个簇，在PA中获得8个簇。最为关键的发现是，FL中四个最丰富的簇（FL10、FL9、FL7、FL1）在年度周期中顺序演替，但其丰度-温度关系表现出显著的春季-秋季不对称性。例如，由拟杆菌纲主导的簇FL10在春季7 °C时相对丰度约为50%，但在秋季同样7 °C时仅为约15%；而簇FL1（含酸微菌纲和放线菌纲）在秋季10 °C时丰度超过40%，在春季同一温度下仅占5%。广义加性模型（GAMs）的统计检验证实，FL中7个簇的温度-丰度轨迹在升温和降温阶段存在显著差异，即群落组成不仅取决于当前的温度绝对值，还取决于温度变化的方向（由冷变暖还是由暖变冷）。这一方向依赖性动态在光周期梯度上也得到了部分验证。
四、总结与讨论
本研究通过长达13年的高频次、双组分采样，系统揭示了波罗的海温带水域原核生物群落的精细季节性演替规律。研究表明，颗粒附着型和自由生活型原核生物在多样性、组成和环境响应上存在显著差异，且绝大多数ASVs在年度周期中经历从丰盛到稀有的剧烈波动。最引人注目的发现是，在相同温度条件下（如12 °C），春季和秋季的群落组成截然不同，这表明温度本身并非唯一决定因素，温度的变化方向、群落的历史状态、营养盐的动态以及生物间相互作用共同决定了群落的最终组成。
研究结论指出：温带地区原核浮游生物群落的组成强烈依赖于温度和白昼时长数值之外的因素，包括群落的历史延续性、环境变化的方向（低到高或高到低）、有机和无机营养盐的定性及定量水平，以及生物间相互作用。这一发现挑战了以往将温度作为单一关键预测变量的简化观点，强调在研究微生物群落动态时必须考虑环境变化的完整轨迹和历史背景，为未来气候变化背景下海洋微生物响应的预测提供了重要的理论框架。
