1 / 16
文档名称:

中国湖泊和水库中丰富而稀有的浮游生物的生物地理学.docx

格式:docx   大小:30KB   页数:16页
下载后只包含 1 个 DOCX 格式的文档,没有任何的图纸或源代码,查看文件列表

如果您已付费下载过本站文档,您可以点这里二次下载

分享

预览

中国湖泊和水库中丰富而稀有的浮游生物的生物地理学.docx

上传人:guoxiachuanyue 9/23/2022 文件大小:30 KB

下载得到文件列表

中国湖泊和水库中丰富而稀有的浮游生物的生物地理学.docx

相关文档

文档介绍

文档介绍:该【中国湖泊和水库中丰富而稀有的浮游生物的生物地理学 】是由【guoxiachuanyue】上传分享,文档一共【16】页,该文档可以免费在线阅读,需要了解更多关于【中国湖泊和水库中丰富而稀有的浮游生物的生物地理学 】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。中国湖泊和水库中丰富而稀有的浮游生物的生物地理学
细菌在水生和陆地生态系统的生态中都起着关键作用。然而,人们对其多样性和生物地理学知之甚少,尤其是在内陆淡水生态系统中罕见的微生物生物圈。在这里,我们使用高通量测序方法研究了丰富而稀有的浮游细菌的群落生态学和地理分布,并研究了当地环境变量和区域(空间)因素对其在中国42个湖泊和水库中地理分布格局的相对影响。我们的结果表明,丰富和稀有的细菌亚群落的地理格局总体上相似,并且两者都显示出显着的距离-衰减关系。这表明,稀有细菌生物圈不是像某些作者所假定的那样随机组成的,它的分布极有可能受到控制丰富类群的相同生态过程的影响。但是,我们发现了富裕群体和稀有细菌之间存在一些差异,因为两组细菌均显示出位点占有率和丰度之间存在显着的正相关关系,但是富裕细菌表现出的稀疏性比稀有细菌弱。我们的结果表明,稀有子社区主要受当地环境变量控制,而丰富的子社区主要受区域因素影响。此外,与丰富的细菌群落组成的空间变化显着相关的局部和区域变量与稀有细菌的变量不同,这表明丰富和稀有细菌可能具有不同的生态位,并且在自然生态系统中可能发挥不同的作用。
浮游细菌是水生生态系统的基本组成部分,具有极高的遗传多样性水平,在全球生物地球化学循环中起着至关重要的作用(Newton等,2011)这意味着了解水生细菌的多样性及其生物地理模式是一个主要的生态目标,因为它提供了对构成和维持细菌多样性和生态系统功能的更深层次的生态过程和机制的洞察力(Hanson等,2012)但是,与对大型动物和植物的生物地理模式进行的广泛研究不同,关于细菌多样
卡萨马约尔(Casamayor),2010年;Jones等,2012;Brown等人,2014年)进一步复杂的事实是,大多数细菌群落包含大量物种。其中一些物种非常丰富,另一些则中等丰富,通常仅被称为“稀有生物圈”的许多物种仅由少数几个个体代表。这种高度多样且稀有的微生物生物圈在很大程度上尚未开发(Pedros-Alio,2012)有影响力的研究被解释为表明微生物生态学中的“万物无处不在”(由Baas-Becking,1934年开发)利用稀有的生物圈群落作为检验大规模生物地理学思想的一种方式。例如,使用不同的培养条件来证明在生态上不适合它们的湖泊中存在原生生物类群,因此它们在现场的数量很少,因此无法通过直接显微镜检查未培养的样品来检测(参见例如,Fenchel等,1997;Finlay,1998;Hambright等,2015)在过去几年中,高通量和深度测序的革命使人们可以更直接地识别环境中的稀有生物圈群落(Pedros-Alio,2012;Logares等,2014)
最近的高通量测序研究表明,细菌群落的''稀有生物圈''部分遵循的生物地理模式与群落中最丰富的成员相似,并且在北冰洋和南极沿海湖泊中具有独特的空间分布模式(Galand等。(2009年;Logares等人,2013年)其他研究提供了土壤和海洋丰富细菌群落的占有-丰度关系的证据(Nemergut等,2011),这表明稀有细菌的扩散概率与丰富的分类单元相比是有限的(Holt等,2004;Logue,2004)2010)在这种情况下,内陆水域特别有趣,因为它们在全球范围内具有比海洋水域明显更多的细菌群并且更加多样彳匕Barberan和Casamayor,2010)到目前为止,尚不清楚稀有细菌类群是否遵循与内陆湖泊和水库生态系
统中丰富的类群相似的生物地理模式。
通常,微生物,例如较大的生物,
受非生物和生物过程的复杂且相互作用的影响,导致它们在不同空间尺度上的群落分布格局变化(Green和Bohannan,2006;Ramette和Tiedje,2007;Logue和Lindstrom,2008;Jones等,2012))
对于较大的生物体,有人提出,丰富的分类单元在主要的生态系统过程中占主导地位(例如,碳流量和养分循环),而稀有分类单元可被视为繁殖体,起着次要但不可忽略的作用,但可能会转变为更重要的丰富分类单元。环境条件的变化(Grime,1998;Magurran和Henderson,2003)最近,对海洋微生物系统也提出了类似的建议(Pedros-Alio,2012;Logares等,2014),这表明丰富而稀有的细菌类群对环境变化可能具有不同的生态反应。在这项研究中,我们假设稀有细菌亚群落的生物地理分布的可能控制因素与湖泊和水库中的大量细菌亚群落的控制因素大不相同。
细菌元社区通常由局部环境变量(环境过滤和生物相互作用)和区域因素(与扩散有关的过程)组成(Fenchel,2003;Nemergut等,2011;Liu等,2013)—些研究表明,局部因素更为重要(Fierer和Jackson,2006;Graham和Fine,2008;Cavender-Bares等,2009;Wang等,2013),而其他研究则认为细菌群落是由区域力量(Leibold等,2004;Cottenie,2005;Martiny等,2006)最近,LindstrOm和Langenheder(2012)描绘了区域和局部因素之间的关系,这些因素沿着分散速率和选择强度的梯度变化。有人认为,细菌群落的性质在
建立更广泛的生物地理格局方面很重要,因为散布的潜力可能会影响群落组成与局部和区域因素之间的联系Lindstrom和Langenheder,012;Lear等,2014)根据定义,最丰富的细菌可以很容易地散布,因为有更多的个体可能参与散布事件。相反,稀有细菌较少,因此与丰富的分类单元相比,它们的扩散率应较低。因此,我们假设丰富的浮游生物亚社区的区域和局部因素的相对影响与稀有亚社区是不同的。
在这项研究中,我们使用了高通量测序调查了中国42个湖泊和水库中纬度梯度从24到50°N(超过2700公里)的水生细菌群落。我们进行分类以确定并比较大陆范围内丰富和稀有细菌亚群落的生物地理模式和驱动因素。具体来说,我们旨在回答以下关键问题:丰富和稀有的分类单元显示相似还是不同大陆规模的湖泊和水库的生物地理格局?控制因素及其对丰富细菌亚社区的地理格局的贡献是否与稀有细菌亚社区不同?
材料和方法
研究区域和抽样抽样活动包括总共42个位于24至50°N之间的中国湖泊和水库(图1和补充表S1)Ju等人在水生有壳变形虫的研究中也提到了许多这样的湖泊。(2014)从2012年7月中旬至2012年8月上旬进行了野外采样。在每个湖泊的中心收集了上层水的地表水样本(50-200厘米以上)。随后将所有水样本分为两个子样本:一个用于水化学,另一个用于细菌群落分析。所有样品均在4°C的黑暗环境中保存,并尽快送回实验室。
物理化学分析
用YSI多参数水质探空仪(YSI,YellowSprings,OH,美国)现场测量表水层水温,导电率,pH,溶解氧和浊度。用SpeedtechSM-5Depthmate便携式测深仪(Speedtechinstruments,美国大瀑布市,弗吉尼亚州)测量采样点的水深。用30cmSecchi圆盘测定水的透明度。根据标准方法(Greenberg等,1992)测量叶绿素a,总氮和总磷的浓度。
DNA提取,PCR和高通量测序按照Liu等人的方法,-pm孔径的聚碳酸酯滤膜(直径47mm,Millipore,Billerica,MA,美国)过滤了总共500ml用于浮游细菌分析的水样品。(2013)将滤膜保存在-809直至DNA提取。根据制造商的说明,使用FastDNA旋转试剂盒(Bio101,卡尔斯巴德,加利福尼亚,美国)直接从过滤器中提取总DNA。将总DNA发送到PersonalBiotechnologyCo,Ltd.(中国上海)使用150bp的配对末端序列读取序列,在IlluminaMiSeq仪器(美国加利福尼亚州圣地亚哥)上进行高通量测序。使用一组引物扩增细菌16SrRNA基因的高变V4区(〜207bp)在这项研究中,正向引物为5'-AYTGGGYDTAAAGNG-3',反向引物为5'-TACNVGGGTATCTAATCC-3(Claesson等,2009)每个DNA样品分别进行PCR扩增,一式三份进行25川反应,包括在949下初始变性5分钟,然后进行25个循环,分别在94OC下30s,509下30s和729下30S。在扩增结束时,将扩增子在72°C下进行最后的7分钟延伸。每个反应包含1xPCR缓冲液,,,10pM的每个引物和20ng的目标DNA。
(Schloss等,2009)处理原始序列数据。配对末端读取被合并。然后用流动的设置对序列进行质量控制:除去长度为v150或〉300,平均质量为030,不明确的碱基>0和均聚物长度>6的任何序列以进行进一步分析。将其余序列与参考序列比对,并消除那些与正确区域不比对的序列。为了进一步减少序列中的噪声,我们利用预聚类,并使用UCHIME(Edgar等人,2011)对所得序列进行了嵌合体筛选。然后,我们使用贝叶斯分类器根据核糖体数据库计划16SrRNA基因训练集(第9版,)对这些序列进行分类。我们要求伪引导程序置信度得分为80%(Wang等,2007)剔除所有古细菌,真核生物,叶绿体,线粒体和未知序列。最后,根据分类将序列分为几类,并以3%的相似度分配给操作分类单位(OTU)未使用包含v2读数的OTU来避免可能的偏差。对于我们的数据分析,我们使用了来自每个样品的26322个序列的随机选择子集,以标准化样品间的测序工作。
在这项研究中,丰富或稀有的定义
OTU结合了其本地和区域相对丰度。本地丰富的OTU被定义为在样本中占>1%的OTU,%的丰度(Galandetal。,2009;Pedr6s-Ali6,2012)。然后,我们计算了所有样本中这些局部丰富或稀有OTU的平均相对丰度。平均相对丰度为〉%的OTU被定义为区域丰富的OTU,%的OTU被定义为区域稀有OTU(Logares等,2014)生态文学
通常将“稀有性”视为一个连续变量-因此,在任何给定的研究中,为稀有性定义一个临界点时总是存在一定程度的任意性(Gaston,1994)为了减少这个问题,我们参考其他最近的出版物定义了“稀有生物圈”,以促进研究之间的比较。此外,为减少任意定义丰富和稀有OTU的影响,我们进行了多元截止水平分析,以系统地估计丰富和稀有OTU的定义如何影响我们的数据集(Gobet等,2010)
数据分析
Bray-Curtis相似度矩阵被认为是生态学研究中最强大的相似度系数之一(Kent,2012年),并已应用于我们细菌OTU相对丰度的社区数据集。使用非度量多维标度排序来研究站点之间浮游细菌群落的差异(Clarke和Gorley,2001)我们的研究区域包括几种主要的气候类型。因此,根据气候和地理特征将其划分为五个区域(Ju等,2014)为了评估这五个区域之间浮游细菌群落的显着差异,我们使用了相似性的随机/置换过程分析。相似性统计全局R的分析为:R=1表示完全分离,而R=0则表示没有分离(Clarke和Gorley,2001),丰富和稀有细菌群落相似性矩阵之间的等级相关性,因此它提供了具有匹配系数pm的显着性检验,等同于Mantel检验(Clarke和Gorley,2001)在P<,。
Spearman等级相关性用于确定细菌群落的Bray-Curtis相似性与湖泊或水库的地理距离之间的关系,以及环境变量的欧氏距离与地理距离之间的关系。
通过以下方式生成了一组区域变量根据每个采样点的经度和纬度坐标,使用邻域矩阵主坐标(PCNM)分析(Borcard和Legendre,2002;Legendre等,2008)。使用Shapiro-Wilk检验检查理化变量的正态性,对变量进行log(x+1)转换(pH值除外),以改善正态性和均方差,以进行多元统计分析。进行规范对应分析(CCA)来探索细菌群落与理化和PCNM变量之间的关系。选择这种方法是因为对细菌群落数据进行的初步去趋势对应分析表明,,这表明大多数物种对环境变化表现出单峰响应(Leps和Smilauer,2003年)在CCA之前,我们使用前向选择程序,使用素食主义者的“ordiR2step”功能选择局部理化变量和区域变量(Blanchet等,2008)。在进一步分析中消除了所有不显着的
()变量。
确定局部(在本研究还包括环境变量)和区域(本研究中基于PCNM的空间因素)细菌群落分布的变量,标准和部分Mantel测试(Legendre和Legendre,2012)使用Bray-Curtis指数获得细菌群落组成的相似性矩阵。使用具有显着变量的欧几里得距离获得局部和区域矩阵。在R语言环境中进行了PCNM,CCA,去趋势对应分析,前向选择过程和Mantel测试。使用R软件(RDevelopmentCoreTeam)在Vegan中计算Chao1和ACE(基于丰度的覆盖量估计值)的反射曲线和丰富度估计。
检索号
该研究的所有序列数据已保存在公共的国家生物技术信息中心
(NCBI)数据库(/)中,检索号为SRX525963。
结果
物种丰富度和多元丰度的估计总共有10559个细菌0TU,其中有1105524个
在本研究中获得了序列,每个样品的细菌0TU数量从816个(东海子湖)到2026(东新屯南堡湖)不等(平均值=1399,。=48,n=42)
(补充表S1)细菌0TU的总数(10559)大致等于由基于丰度的丰富度估算器(例如Chaol(10791±22)和ACE(10952±48))估算的数量。估计的物种积累曲线(补充图
S1)和推断的物种丰富度指数(Chaol和ACE)(补充表S2)均表明,大部分浮游细菌浮游生物类群已从所研究的湖泊和水库中回收。
在地方和地区级别,有143(%)个0TU具有751588个序列(%)被归类为丰富的OTU,而7598个(%)类群和29824个(%)序列是稀有OTU(补充表S2)□但是,在本地水平上,所有样本中都不存在总是有大量OTU(>1%),并且在>70%的样本中仅存在两个OTU(包括143102个序列),其丰度为大于1%。此外,所有样本中都有5435个OTU(包括16623个序列)始终是局部稀有的(%)(补充图S2)□
多元临界水平分析表明当在截断矩阵和原始矩阵之间比较社区数据的结构时,观察到的数据结构几乎没有变化,直到删除了数据集中稀有部分的45%。另一方面,当稀有类型的增加量为>5%时,截断矩阵的数据结构显示出很小的变化(补充图S3)在任何环境下完全捕获所有细菌序列仍然是不可能的;但是,在当前技术的限制下,我们对丰富细菌(%)和稀有细菌(%)的定义是合理和客观的。
细菌群落的地理格局我们发现了稀有细菌分类群的独特生物地理分布格局,与丰富的亚群落(pm=,)和整个群落(,)的地理格局表现出惊人的相似性。(图2)有趣的是,我们的五个地理区域的浮游细菌群落以P=,五个组的总体R分别为整个细菌群落,、。
距离对群落组成和环境变量的影响总体而言,任何两个湖泊或水库之间细菌群落组成的相似性随地理距离的增加而降低(图3)例如,Spearman的相关分析得出整个细菌群落的相似度与地理距离之间的相关系数为-()此外,亚社区相似度和地理距离之间,丰富和稀有分类单元的Spearman相关系数分别为-()和-()此外,彼此靠近的湖泊和水库呈现出更多相似的环境条件(Spearman相关系数=,,补充图S4)
丰度与占用率的关系细菌相对丰度与局部占用率呈正相关(r=,;图4)另外,98%的丰富OTU占据了大于50%的站点,而没有稀有的OTU占据了>50%的站点(补充图S5)
局部和区域因素对浮游细菌分布的影响CCA排序显示,四个环境变量(水温,电导率,浊度和总氮)和五个区域因素(PCNM1-3和13-14)与丰富细菌的变化显着相关亚社区通过正向模型选择(;图5)但是,罕见细菌亚社区的CCA显示出不同的模式。三个局部环境因素(电导率,透明度和深度和六个区域变量PCNM2-3、6、10和13-14)与稀有细菌群落组成的变化显着相关(;图5)
mantel和部分壁炉架结果显示罕见的细菌亚社区主要受当地环境
因素控制。但是,区域因素解释了丰富的细菌分布存在更多差玮表1)丰富和稀有细菌放线菌(±%±%,
平均值±se),拟杆菌(±%±%),蓝细菌(±%±%)的分类分布,硬毛菌(±%±%),扁平菌(±%±%),疣状微生物菌(±%±%),cc-变形杆菌(±%)±%),p-