Niche selection in bacterioplankton: A study of taxonomic composition and single-cell characteristics in an acidic reservoir

浮游細(xì)菌的生態(tài)位選擇：酸性儲層中分類組成和單細(xì)胞特征的研究

來源：Environmental Microbiology Reports. 2024;16:e13255.

 

摘要核心內(nèi)容

 

研究背景：生態(tài)位選擇（niche selection）和微生物擴(kuò)散（dispersal）是塑造微生物群落的關(guān)鍵因素，但其相對重要性因環(huán)境和時(shí)空尺度而異。多數(shù)研究關(guān)注群落組成，而忽略了生理階段和單細(xì)胞特征等多層次結(jié)構(gòu)。

方法：在西班牙酸性水庫（El Sancho，pH 3.5–4.5）的分層期（stratification）和混合期（mixing），同步分析浮游細(xì)菌的分類組成、豐度及單細(xì)胞特征。

發(fā)現(xiàn)：

分層期識別出5個(gè)生態(tài)位，混合期僅1個(gè)。

典范對應(yīng)分析（CCA）顯示不同生態(tài)位的分類和單細(xì)胞特征均存在差異。

環(huán)境變量對分類組成和單細(xì)胞特征的影響不同，但Procrustes分析表明二者變化高度同步（相關(guān)性高）。

結(jié)論：在微生物擴(kuò)散不受限的條件下，環(huán)境選擇是驅(qū)動微生物占據(jù)不同生態(tài)位的主導(dǎo)因素。

 

研究目的

 

識別水庫水柱在分層期和混合期的微生物生態(tài)位。

確定環(huán)境差異是否驅(qū)動細(xì)菌分類組成和單細(xì)胞特征（在擴(kuò)散率高的條件下）。

評估分類組成與單細(xì)胞特征兩個(gè)結(jié)構(gòu)層次的關(guān)聯(lián)性。

揭示解釋群落變異的關(guān)鍵環(huán)境因子。

 

研究思路

 

研究系統(tǒng)：

西班牙El Sancho酸性水庫（pH 3.5–4.5），受酸性礦山排水（AMD）污染，是研究極端環(huán)境微生物生態(tài)的理想模型。

采樣設(shè)計(jì)：

分層期（2013年9–10月）和混合期（2014年1–2月）采集不同深度水樣（表1）。

 

數(shù)據(jù)采集：

環(huán)境參數(shù)：溫度、pH、溶解氧（O?）、熒光、營養(yǎng)鹽（NH??、NO?）、碳組分（CO?、DOC、POC）、葉綠素a（Chl a）、金屬濃度（Fe、Al等）。

生物數(shù)據(jù)：

分類組成：16S rRNA基因測序（OTU分析）。

單細(xì)胞特征：流式細(xì)胞術(shù)量化HNA/LNA亞群豐度、細(xì)胞尺寸（SSC）、核酸含量（FL）、FL/SSC比值。

分析方法：

聚類分析（SIMPROF）識別生態(tài)位。

典范對應(yīng)分析（CCA）關(guān)聯(lián)環(huán)境因子與生物數(shù)據(jù)。

Procrustes分析檢驗(yàn)分類與單細(xì)胞特征變化的同步性。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 環(huán)境數(shù)據(jù)（圖1，表S1）

 

測量內(nèi)容：溫度、O?、pH、熒光、營養(yǎng)鹽、金屬等垂直剖面。

研究意義：

揭示水庫的物理化學(xué)梯度（如分層期：表暖氧層→中層DCM→底層低溫缺氧）。

Unisense微電極數(shù)據(jù)意義：

提供高分辨率溶解氧剖面（圖1A），識別出"O?峰值"生態(tài)位（16–20 m），該層與金屬層最大凈生產(chǎn)力相關(guān)（Soria-Piriz et al., 2019）。

證明缺氧低氧區(qū)的形成（分層期底層O?接近0），解釋了厭氧類群（如δ-變形菌）的富集（圖3）。

支持湍流擴(kuò)散系數(shù)（Kd）計(jì)算，表明金屬層擴(kuò)散率極低（Kd=5.2×10?? m2/s），促進(jìn)生態(tài)位分化。

 

 

2. 細(xì)菌分類組成（圖2A, 3, S4–S5）

 

測量內(nèi)容：基于16S測序的OTU、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢菌門/類相對豐度。

研究意義：

變形菌門（Proteobacteria） 主導(dǎo)（47–75%），但類群垂直分異顯著：

α-變形菌（表層富集） vs. β/γ/δ-變形菌（深層富集）（圖3）。

稀有類群：Armatimonadetes（17%）在酸性環(huán)境中首次報(bào)道，暗示特殊適應(yīng)性。

 

3. 單細(xì)胞特征（圖2B, 4, 5, S6–S7）

 

測量內(nèi)容：HNA/LNA豐度、FL（核酸含量）、SSC（細(xì)胞尺寸）、FL/SSC（標(biāo)準(zhǔn)化核酸含量）。

研究意義：

細(xì)胞尺寸（SSC）隨深度減小：與中性湖泊相反，可能與紫外線防護(hù)或捕食壓力相關(guān)（圖5C）。

FL/SSC峰值在DCM上層：反映高生長活性，與藻類生產(chǎn)力耦合（圖5D）。

HNA/LNA比例穩(wěn)定（~30%/70%），但絕對豐度和單細(xì)胞特征因生態(tài)位而異（圖4, 5）。

 

 

 

核心結(jié)論

 

生態(tài)位分化：

分層期存在5個(gè)生態(tài)位（表暖層、O?峰值層、DCM上層、DCM層、底層），混合期僅1個(gè)（圖1B）。

環(huán)境選擇主導(dǎo)：

盡管垂直擴(kuò)散率高（日均位移達(dá)5.7 m），CCA和Procrustes分析（圖2C）證實(shí)環(huán)境因子（溫度、DOC、NH??、Fe）驅(qū)動群落多層級結(jié)構(gòu)變化。

群落多層次響應(yīng)同步：

分類組成（如α-變形菌減少）與單細(xì)胞特征（細(xì)胞尺寸減小）在垂直梯度上協(xié)同變化（r=0.55, p<0.001）。

極端環(huán)境特異性：

酸性條件導(dǎo)致：

細(xì)菌豐度低于中性湖泊（1–6×10? cells/L）。

古菌稀少（<1% OTUs），與典型AMD環(huán)境不同。

表層細(xì)胞尺寸增大，可能是紫外線防護(hù)策略。

 

Unisense微電極數(shù)據(jù)的深層意義

 

高分辨率氧剖面的價(jià)值：

揭示毫米級氧梯度，精準(zhǔn)定位"O?峰值"生態(tài)位（16–20 m），該層與金屬層最大凈生產(chǎn)力相關(guān)（Soria-Piriz et al., 2019）。

證明分層期底層缺氧（圖1A），直接解釋厭氧類群（如δ-變形菌、OD1候選門）的富集（圖3）。

支持?jǐn)U散率計(jì)算：

結(jié)合溫度剖面計(jì)算湍流擴(kuò)散系數(shù)（Kd），證實(shí)金屬層擴(kuò)散率極低（Kd=5.2×10?? m2/s），為生態(tài)位隔離提供物理解釋（表S1）。

耦合生物地球化學(xué)過程：

低氧區(qū)與高CO?、NH??、DOC濃度耦合（表S1），驅(qū)動異養(yǎng)細(xì)菌（如擬桿菌Bacteroidia）在深層富集，凸顯碳循環(huán)的微生物調(diào)控機(jī)制。

 

總結(jié)

 

該研究通過多層級分析（分類+單細(xì)胞）證明：在擴(kuò)散不受限的酸性水庫中，環(huán)境選擇是塑造細(xì)菌群落的核心力量。Unisense微電極提供的關(guān)鍵氧數(shù)據(jù)，不僅定義了獨(dú)特生態(tài)位，還揭示了化學(xué)梯度與微生物功能的緊密耦合，為極端環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)研究提供了高分辨率方法范例。