南非凯纳斯纳河口沉积物与水体中真菌多样性的潜在驱动因素

《Regional Studies in Marine Science》：Potential drivers of fungal diversity in the sediment and water of the Knysna Estuary, South Africa

　　

• ITS宏条形码测序揭示了克尼斯纳河口不同生境中特有的真菌群落。
• 沉积物中以子囊菌门占主导地位，且表现出更强的点位特异性多样性。
• 水样中含有较高比例未鉴定的真菌类群。
• 磷、离子组成和微量元素（铅、锌）塑造了真菌群落的结构。
• 曲霉属、镰刀菌属和毛霉属对环境梯度表现出敏感性。

引言

河口是由海洋、陆地和淡水要素相互混合而形成的不同生境组成的过渡生态系统（Elliott和Whitfield，2011；Downie等，2024）。河口生境，如红树林和盐沼，在维持整体功能多样性方面发挥着至关重要的作用，因为它们保护着在生态和经济上具有重要价值的生物多样性（Dunn等，2019）。这些水生系统以其潮汐周期、独特的流体动力学水流以及适应性生物物种为特征（Lallias等，2015），共同提供了关键的生态系统服务，如污染物过滤、养分循环和生境保护（Dunn等，2019；Downie等，2024）。然而，由于这些地区人口的持续增长，河口暴露于各种人为胁迫之中（Lansu等，2024），这引起了人们对河口恢复力和功能性的极大关注，因为与城市化相关的活动，如工业活动、农业、娱乐活动及其相关径流，都对河口构成了威胁（Downie等，2024）。因此，实施能够有效评估生态系统健康的生物监测项目（Rosenberg等，2004；Baird和Hajibabaei，2012），对于防止这些珍贵生态系统的退化至关重要（Clark等，2020）。

将物理化学因素纳入监测项目中至关重要，因为它们能在短时间内提供小区域内生态系统健康的全面视图（Downie等，2024）。例如，研究发现温度（Shearer等，2007；Lin等，2023）和pH值（Krause等，2013）是影响海洋生态系统中真菌分布的主要物理化学因素。其他研究还确定了盐度和总氮等因素为关键驱动因素，而pH值对真菌分布无显著影响（Li等，2016）。河口是包括真核生物和原核生物在内的生物多样性热点区域，它们在变化的物理化学环境中的存在或缺失可以反映环境变化对河口功能的影响（Downie等，2024）。传统上，栖息于海底的宏观无脊椎动物被用于生态健康评估。然而，环境基因组学的出现使得对生态系统进行更全面分析成为可能，使研究人员能够表征此前未被发现的生物多样性（Clark等，2020）。底栖微生物群落在水体富营养化相关的生物监测项目中常常优于宏观无脊椎动物群落，因为它们对环境变化的敏感性有助于检测与生态系统功能和恢复力相关的退化早期迹象（Keeley等，2018；Clark等，2020）。

真菌对生态系统功能至关重要，作为真核异养生物以酵母、霉菌、蘑菇及其他较少研究的真菌类群形式自然存在（Retter等，2024）。据估计，可能存在200万至1100万个不同的真菌物种（Lücking等，2021；Baldrian等，2022），而其中仅有很小一部分已被表征（Phukhamsakda等，2022）。真菌群落可以存在于任何环境中（Debeljak和Baltar，2023），在海洋环境中通常以壶菌门、子囊菌门和担子菌门为主（Hassett等，2020），而担子菌门和子囊菌门则通常在陆地生态系统中占主导地位（Tedersoo等，2014）。真菌的存在尤为重要，因为它们参与了关键的生态功能，如有机物分解、养分循环（Wong Chin等，2022）、与生物体的共生关系（Mishra等，2024）以及营养级之间的能量传递（Kagami等，2014）。因此，鉴于其在各种生态系统过程中的不可或缺的作用，评估全球真菌多样性对于评估生态系统恢复力和功能至关重要（Baldrian等，2022）。然而，由于真菌类群的形态特征有限，且大多数属内往往存在许多隐存种，真菌群落的 Research变得具有挑战性。因此，只有通过全面的分子分析，才能实现真菌多样性的准确评估（Phukhamsakda等，2022）。

高通量测序（HTS）等下一代测序技术的发展，使研究人员能够对环境样本中大量生物进行表征，包括此前未被发现的类群（Op De Beeck等，2014；Clark等，2020）。宏条形码测序利用环境DNA（eDNA）中的短DNA序列，特别是条形码区域，通常用于补充或辅助传统生物监测项目（Taberlet等，2012；Adamo等，2020）。在进行测序之前，首先通过使用针对特定类群定制的引物进行聚合酶链式反应（PCR）扩增特定条形码，最终得到分组序列，用于分类学赋值（Hebert等，2003；Lallias等，2015）。位于核糖体RNA（rRNA）操纵子中的内转录间隔区（ITS）是目前通过宏条形码测序分析真菌多样性最常用的条形码（Op De Beeck等，2014）。然而，已指出不同的条形码更适合研究特定的真菌类群。例如，18S rRNA条形码已被证明在表征属于球囊菌门的丛枝菌根方面更有效（George等，2019）。这给真菌宏条形码测序研究带来了潜在局限，因为尚未开发出涵盖所有真菌类群的通用条形码引物对（Tedersoo等，2015；Li等，2016）。

关于真菌生态学意义的研究日益增多，尤其是在海洋群落方面（Wu等，2023）。然而，关于河口生态系统微生物特征的研究仍然有限，亟需进一步探究（Zinger等，2012）。尽管真菌在水体环境中作为重要养分循环者和分解者的地位日益受到认可，但其在南非温带河口中的生态功能及环境控制因素仍知之甚少（Matcher等，2018；Miettinen等，2019）。由于城市化进程加快，目前南非近一半的河口正受到养分污染的损害（Adams等，2020）。据我们所知，尚无研究直接评估南非任何河口水体或沉积物中的真菌多样性。克尼斯纳河口被认为是南非最重要的保护性河口，支持着该国约42%的河口生物多样性。该河口系统位于根据《国家环境管理：保护区法案》（2003年第57号法案）划定的保护区范围内。其监管和保护由南非国家公园管理局（SANParks）负责管理，而克尼斯纳市则负责管理周边集水区。尽管它是正式保护区，但无限制进入使其容易受到人类开采、城市扩张、污染和淡水动态变化的影响（Claassens等，2020）。本研究旨在评估南非克尼斯纳河口水体和沉积物生境中真菌群落的环境因素、结构和多样性。通过结合分子数据与物理化学和元素图谱，本研究旨在解决关于养分可获得性、离子组成和微量元素梯度如何影响河口环境中真菌群落的认知空白。具体目标包括：（1）表征河口中基本物理化学和元素因素的空间变异；（2）利用ITS宏条形码测序评估水体和沉积物中真菌群落的丰度和多样性模式；以及（3）使用多元分析和物种响应模型确定优势真菌类群与环境变量之间的关系。这些目标共同旨在加深我们对塑造河口真菌群落的生态因素的理解，并为生物监测和克尼斯纳河口的可持续管理提供必要的基线见解。

小节摘要

采样点与采样

克尼斯纳河口（图1）位于南非风景如画的花园大道沿线（34°02′08″S；23°02′56″E），是南非沿海最广阔的水清河口水域系统，涵盖约420平方公里的流域（Allanson等，2000；Petermann等，2018）。2023年11月24日，在克尼斯纳河口的11个点位（A-K）（图1）采集了表层沉积物和水样（深度≤5厘米）。样品在低潮时以三重复方式采集。

A 物理化学特征及相关性

河水pH值略有变化，范围从中性到碱性（pH > 7），其中A点位的pH值最低，为7.11，H点位的pH值最高，为8.7。观察到一个温度梯度，即从河口（海洋主导最明显的K点位）向河流上游（最偏河流性的A点位）增加，其中H和I点位表现为异常。水样中电导率（EC）、盐度和总溶解固体（TDS）的最高记录值出现在G点位。

真菌丰度及样本间多样性结构

本研究调查了克尼斯纳河口的物理化学特征、金属分布和真菌群落动态，揭示了显著的空间梯度和复杂的生物地球化学-微生物相互作用，这些相互作用支持着生态系统功能。本研究未发现水样与沉积物之间真菌相对丰度存在显著差异。这与先前对长江口真菌群落的研究结果一致（Qu等，2024）。

结论

本研究展示了元素地球化学和物理化学梯度如何具体影响克尼斯纳河口水体和沉积物中真菌群落形成的特定性整合。研究揭示了从河流到河口口的离子梯度，沉积物中微量元素浓度显著增加，以及真菌群落的生境分化，其中沉积物以子囊菌门为主，且由不同点位特异性的……

未引用参考文献

（Al-Mishery等，2021；Clipson等，1999；Lep?和?milauer，2003；世界卫生组织，2022）

资金支持

本工作基于南非国家研究基金会（资助编号：PMDS230529111226和149488）支持的研究。

CRediT作者贡献声明

Bergh Eugene：写作-审阅与编辑、验证、监督、资源获取、项目管理、方法论、资金获取、概念化。
Lekota Kgaugelo：写作-审阅与编辑、验证、监督、资源获取、方法论、资金获取、概念化。
Michael Fourie：写作-审阅与编辑、写作-初稿、可视化、软件、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。
Bezuidenhout

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

水和沉积物的ICP-MS分析在西北大学Eco-Analytica实验室完成。南非国家公园管理局（SANParks）提供了通行许可并授予了研究许可证。我们感谢Sonette Du Preez在粒径分析方面的协助。

Michael Fourie | Jaco J. Bezuidenhout | Eugene W. Bergh | Kgaugelo E. Lekota