Microbiome: 随机过程主导亚热带河流微型真核浮游生物群落构建

【题目】Stochastic processes shape microeukaryotic community assembly in a subtropical river across wet and dry seasons

【期刊】Microbiome, 2019, 7: 138

【全文链接】https://doi.org/10.1186/s40168-019-0749-8

【第一作者】陈伟东

【通讯作者】杨军

【作者单位】中国科学院城市环境研究所

图形摘要：随机过程主导河流浮游生物群落构建

新闻稿

中国科学院城市环境研究所水生态健康研究组（杨军团队）以福建汀江为研究区域，利用DNA宏条形码技术和多元统计方法对湿季和干季的微型真核浮游生物群落进行比较研究。结果表明，汀江微型真核浮游生物群落具有显著的时空差异，稀有种和优势种具有相似的地理分布格局；浮游生物群落的季节变化大于空间变化，值得注意的是干季（枯水期）生物群落的距离衰减效应更强。进一步分析发现，随机过程主导了汀江微型真核浮游生物群落构建，湿季（丰水期）随机过程的相对贡献更大，不同分类阶元水平的群落构建具有相同的规律。群落中性模型显示，随机（中性）分布的物种和非随机分布的物种具有不同的多样性和生态特征。

该研究揭示了不同水文条件下随机过程在河流微型真核浮游生物群落构建中的重要作用，为深入理解随机过程和确定性过程对水生生物群落构建的相对重要性提供了新思路；提高了我们对浮游生物稀有种群落构建和生态学机制的认知水平，为解析水生态系统结构和功能稳定性等问题提供了新视角。

该研究成果以“Stochastic processes shape microeukaryotic community assembly in a subtropical river across wet and dry seasons”为题发表在微生物领域国际期刊Microbiome, 2019, 7: 138（IF=10.465）。研究生陈伟东为第一作者，杨军研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和福建省自然科学基金的资助。

引言

近百年来，生物群落构建机制一直是生态学的核心问题之一，生态学家提出了大量的理论、假说和模型；其中，生态位理论和中性理论最为重要。生态位理论认为生物群落由环境选择和生物相互作用调控，属于确定性过程；中性理论则认为随机过程，包括物种的出生、死亡、迁移、扩散等过程塑造生物群落。实际上，群落构建受到生态位分化和随机生态漂变的共同作用，它们作用的相对大小取决于多种因素，生态位理论和中性理论的融合发展已经成为群落生态学的研究前沿热点。近十多年来，在森林、草地等陆地生态系统中已经证实：中性过程可以在塑造生物群落中发挥重要作用。但是，中性理论在水生态系统中的普适性缺乏相应的充分验证，我们对随机过程影响浮游生物群落构建的认知还十分有限。

浮游生物是水生态系统的重要组成部分，在物质循环、污染物降解和水体自净等方面发挥基础和关键作用。微型真核浮游生物包括浮游藻类、原生动物、低等真菌、小型后生动物等。汀江是是福建省西部最大的河流，包含许多支流，为城镇居民提供生活饮用水，在广东省汇入韩江，最后注入南海。

中国科学院城市环境研究所水生态健康研究组（杨军团队）于2015年分别在湿季（丰水期）和干季（枯水期）采集了汀江微型真核浮游生物样品（图1）。利用DNA宏条形码技术和多元统计方法对湿季和干季的微型真核浮游生物群落进行比较研究。

图1：汀江采样地图

结果与讨论

（1）研究表明，汀江微型真核浮游生物群落具有显著的时空差异，浮游生物群落的季节变化大于空间变化，稀有种和优势种具有相似的地理分布格局（图2）。湿季（丰水期）的微型真核浮游生物群落多样性比干季高；PCoA分析显示干湿季微型真核浮游生物群落总体物种、优势种、总是稀有种和条件稀有种都具有显著差异。原因有3点：第一、由于湿季降水较多，地表径流能够将河流周围生境中的生物冲洗下来，增加了湿季生物的多样性，进而改变了群落组成；第二、干湿季不同的环境条件在不同程度上影响群落结构。微型真核浮游生物群落和环境及空间因素的关联性分析表明，不同季节显著影响浮游生物群落结构的环境因素有所不同。第三、干湿季不同的水文条件导致随机过程对浮游生物群落的影响出现差异，比如水坝的修建限制了浮游生物的扩散，这个作用在河流径流量较少的干季体现得更加明显。

图2：微型真核浮游生物群落的Beta多样性

（All：总体物种；Dominant：优势种；ART：总是稀有种；CRT：条件稀有种；Wet：湿季；Dry：干季）

（2）研究结果表明汀江微型真核浮游生物群落具有距离衰减效应，干季（枯水期）生物群落的距离衰减效应更强（图3）。我们计算了两种不同的地理距离：河道中两站位间的水路（网）距离、由经纬度计算的两站位间的欧氏距离。基于Bray-Curtis群落相似性和地理距离之间的相关性分析显示，总体物种、优势种、总是稀有种和条件稀有种都展现出了显著的距离衰减效应。进一步分析发现，不同分类阶元水平（界、门、纲、目、科、属）微型真核浮游生物群落同样展现出显著的距离衰减效应。相对于湿季，干季的衰减效应更强。原因在于湿季的降水更多，径流量的增加会导致河流水体生境的同质化及增加河流的连通性，因此各站位间浮游生物群落会更相似。而干季河流连通性较弱，导致浮游生物的扩散限制更强，由此导致更强的距离衰减效应。

图3：微型真核浮游生物群落距离衰减关系

（3）随机过程主导了汀江微型真核浮游生物群落构建，湿季随机过程的相对贡献更大（图4）。群落中性模型分析显示，随机过程在塑造汀江微型真核浮游生物群落群落中起主导作用。中性模型分别解释了湿季、干季和总体微型真核浮游生物89.9%、88.5%和89.6%的群落变化，其中湿季浮游生物扩散能力高于干季，这与距离衰减效应分析结果相同。

图4：中性模型拟合微型真核浮游生物群落

（4）随机（中性）分布的物种和非随机分布的物种具有不同的多样性和生态特征（图5）。中性模型并没有解释100%的浮游生物群落变化，表明其他的群落构建过程与机制同时存在，导致了非随机分布的产生。这些机制包括环境选择和物种间相互作用等。基于中性模型分析将群落中物种划分为两类：随机（中性）分布和非随机分布的类群。两个类群具有不同的组成、多样性和丰度。造成这两部分生态差异的原因，从随机过程上而言，是因为两部分群落具有不同的迁移率。迁移率反映了物种的扩散能力，扩散能力反映随机过程的一个重要指标。从确定性过程而言，是因为随机分布物种和非随机分布物种群落对环境因素变化有着不同程度的响应。

图5：随机分布和非随机分布微型真核浮游生物群落具有不同的物种组成、多样性和相对丰度

结论：

该研究系统深入地解析了不同水文条件下亚热带河流微型真核浮游生物的时空变化、地理分布格局及群落构建机制。发现汀江微型真核浮游生物群落具有显著的时空差异，稀有种和优势种具有相似的地理分布格局；浮游生物群落的季节变化大于空间变化，值得注意的是干季生物群落的距离衰减效应更强。进一步分析发现，随机过程主导了汀江微型真核浮游生物群落构建，湿季随机过程的相对贡献更大，不同分类阶元水平的群落构建具有相同的规律。群落中性模型显示，随机（中性）分布的物种和非随机分布的物种具有不同的多样性和生态特征。

该研究揭示了不同水文条件下随机过程在河流微型真核浮游生物群落构建中的重要作用，为深入理解随机过程和确定性过程对水生生物群落构建的相对重要性提供了新思路；提高了我们对浮游生物稀有种群落构建和生态学机制的认知，为解析水生态系统结构和功能稳定性等问题提供了新视角。

通讯作者简介

杨军，博士，研究员，博士生导师。2001年毕业于河北大学生物科学专业并获学士学位；2006年获中国科学院水生生物研究所水生生物学专业博士学位；2006-2008年加拿大Dalhousie大学地球科学系Killam博士后；2008年11月至今，中国科学院城市环境研究所研究员，创建水生态健康研究组。研究组注重科研人才培养，以生态健康为视角，聚焦水生态安全和微食物网，研究饮用水源地、景观水体等城市水环境微生态学问题，为城市水环境保护和生态管理提供对策与依据。先后承担科技部、基金委、中科院、福建省、厦门市等科研项目近30项，获得厦门市杰出青年基金和福建省杰出青年基金资助，发表学术论文90篇，包括ISME J、Environ Int、Water Res、EST等生态环境领域SCI论文70多篇。在水库型水源地水质保护与微型浮游生物生态过程方面研究结果引起国际同行关注，被国内外多家媒体报道。

编译：陈伟东北京大学

责编：刘永鑫中科院遗传发育所

Reference

Weidong Chen, Kexin Ren, Alain Isabwe, Huihuang Chen, Min Liu & Jun Yang. Stochastic processes shape microeukaryotic community assembly in a subtropical river across wet and dry seasons. Microbiome 7, 138, doi:10.1186/s40168-019-0749-8 (2019).

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0749-8

随机过程主导河流微型真核浮游生物群落构建 https://mp.weixin.qq.com/s/wfBjZzyz9KKR7OsHTz8prg

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