編譯：橙，編輯：小菌菌、江舜堯。
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導讀水生微生物的多樣性、群落組成和動力學在維持水生態(tài)系統(tǒng)功能方面起著至關重要的作用。然而，在淡水環(huán)境中關于細菌季節(jié)性動態(tài)的認知仍然有限。本研究探索了兩年內(nèi)淡水中淡水細菌群落結(jié)構的時間模式。
本文使用Illumina MiSeq測序16S rRNA基因評估了水生細菌群落組成?？傮w而言，該群落以α、β和γ變形桿菌、擬桿菌、黃桿菌和鞘氨醇桿菌為主。細菌組成隨季節(jié)變化而變化，但在同一季節(jié)十分穩(wěn)定。此外，與溫暖時期相比，寒冷季節(jié)觀察到更高的多樣性。對不同理化參數(shù)對季節(jié)性和環(huán)境的綜合影響進行了統(tǒng)計評估，溫度、懸浮物和氮被確定為影響時間細菌聚集的主要非生物因素。這項研究豐富了關于淡水菌群的季節(jié)性演替的認知。
原名：Seasonal dynamics of lotic bacterial communitiesassessed by 16S rRNA gene amplicon deep sequencing
譯名：通過16S rRNA基因測序評估乳酸菌群的季節(jié)動態(tài)
期刊：Scientific Reports
IF：3.988
發(fā)表時間：2020.9
通信作者：Adam M. Paruch
通信作者單位：挪威生物經(jīng)濟研究所(NIBIO)
以往報道了很多生態(tài)系統(tǒng)中細菌多樣性的季節(jié)性模式，作者通過野外和實驗室研究，使用Illumina MiSeq測序16S rRNA基因研究挪威農(nóng)村小溪中淡水細菌的時間動態(tài)。作者著手解決的核心研究問題如下：
（i）小溪中的乳酸菌種群是否表現(xiàn)出季節(jié)性？如果是，
（ii）在主要的季節(jié)性變化之間是否有任何動態(tài)模式？
（iii）哪些非生物環(huán)境因素對塑造所研究的微生物群落結(jié)構有重大貢獻？
所研究的結(jié)果可能會彌補有關乳酸菌群落結(jié)構的時空綜合效應的知識空白。
研究對象為Grytelandsbekken的挪威農(nóng)村小溪中對細菌群落組成進行了研究（圖1），該小溪被認為是一個人為的糞便污染程度相對較低，微生物多樣性和豐富度很高的生態(tài)系統(tǒng)。擴增子文庫通過過濾水樣中提取的基因組DNA上制備。平均每個樣品獲得98,000條序列，共得到13,322個OTU進行物種分類。根據(jù)特征化的OTU，對65個細菌門，204個類，406個目，644個科和1,068屬進行了分類。大部分細菌種群（80–90％）被分配到了Proteobacteria和Bacteroidetes。其中，α、β和γ變形桿菌是變形菌門的主要種類，而黃桿菌和Sphingobacteriia在擬桿菌種則占優(yōu)勢。其中變形菌和擬桿菌僅在6月至11月占主導地位，而在12月，該優(yōu)勢變?yōu)楹癖诰T。這表明在淡水環(huán)境中，無論是流動水還是靜水，例如池塘和湖泊，細菌的時間動態(tài)都比海洋環(huán)境更穩(wěn)定。。圖1 研究地點位于Grytelandsbekken農(nóng)村小溪的衛(wèi)星圖像
通過稀疏度分析測量的α多樣性（圖2）揭示了細菌種群動態(tài)的明顯季節(jié)性模式。通常，細菌的多樣性從寒冷的季節(jié)到溫暖的季節(jié)都有所不同。此外，在寒冷時期比在溫暖時期發(fā)現(xiàn)了更高的豐富度和多樣性，這些在統(tǒng)計學上具有統(tǒng)計學差異。在為期兩年的研究過程中，所有采樣事件均觀察到了這種趨勢。Kaevska等人在河流生態(tài)系統(tǒng)中也觀察到了相同的趨勢。有利于這種趨勢的因素之一與夏季期間長期且強烈的太陽紫外線輻射有關，這導致微生物多樣性降低。圖2 在所有冷暖的季節(jié)性氣候條件下，細菌種群的系統(tǒng)α多樣性
對前700個最豐富的OTU（根據(jù)排名的相對豐度確定）的beta多樣性熱圖分析顯示了獨特的季節(jié)性分類（圖3）。所有寒冷季節(jié)的樣本均與群落特征密切相關，并聚集在一起。另一個單獨的組由所有溫暖季節(jié)的樣本組成。 PERMANOV分析表明，這些聚類具有統(tǒng)計學意義。這種獨特的聚集模式表現(xiàn)出所研究的乳酸菌群生態(tài)系統(tǒng)中細菌群落確定的時間動態(tài)特征。有些分類群在寒冷和溫暖的季節(jié)很常見，它們中的大多數(shù)都隸屬于變形桿菌，在各種環(huán)境條件下，它們普遍存在于淡水生態(tài)系統(tǒng)中，并持續(xù)存在。為了關注冷季和暖季之間細菌群落的種群差異，針對兩個群體（冷對熱）在細菌類別水平上進行了線性判別分析（LDA）效應大小（LEfSe）工具通過合并來自同一季節(jié)樣本的所有分類物種（圖4）。該方法揭示了導致季節(jié)性變化后顯著的群落結(jié)構差異的主要細菌成員，并發(fā)現(xiàn)了在寒冷季節(jié)比溫暖季節(jié)分布的細菌種類更多。梭狀芽胞桿菌和芽孢桿菌屬于寒冷時期的菌群，溫暖時期屬于擬桿菌屬的黃桿菌和噬菌體類，其LDA得分最高，代表了驅(qū)動季節(jié)性演替的主要細菌成員。圖3 Beta多樣性熱圖通過所有冷暖的季節(jié)性分類特征對細菌群落進行分級聚類。
圖4 寒冷和溫暖季節(jié)差異豐富的細菌類別的LEfSe等級圖，以LDA對數(shù)得分表示。
冗余分析（RDA）探索了所調(diào)查的生物和非生物成分與時間模式的相關性（圖5）。RDA分析解釋了超過88％的變異性。每個參數(shù)的相關分數(shù)表明溫度（Temp），總懸浮固體（TSS）和總氮對細菌多樣性的影響最大。一些門，例如Thermi、Cyanobacteria、Bacteroidetes、Tenericutes、ZB3和GN02在溫暖季節(jié)顯然更為普遍，而相當數(shù)量的細菌顯示與溫度呈負相關。更有趣的是，大多數(shù)細菌是在寒冷時期被發(fā)現(xiàn)的，并且與TSS正相關（圖5）。這說明Temp和TSS對所研究的乳液水中細菌多樣性的季節(jié)性表現(xiàn)出強烈的相反影響。此外，門類的成員，例如Caldiserica、Chlamydiae、Chloroflexi、FBP、Gemmatimonadetes、TM6和TM7，對總氮的含量有積極影響，在寒冷季節(jié)更為豐富。在整個分析過程中，其他環(huán)境因素（例如化學需氧量（CODCr），電導率（EC）和pH的相關性較?。坏?，pH值的這種影響主要是由于波動小/相對穩(wěn)定的測量結(jié)果。值得注意的是，這些關鍵的環(huán)境變量在一定的時間影響下，對塑造研究的淡水細菌群落產(chǎn)生了深遠的影響。溫度通常被認為是主要的非生物環(huán)境變量之一，極大地影響了水生微生物群落的形成。例如，Mai等人確定溫度是珠江口細菌群落遷移的原因。同樣，溫度驅(qū)使淡水太湖中細菌組成的時空變化。為了響應水中營養(yǎng)水平的變化，總氮和總磷經(jīng)常作為兩個指標一起被報道，營養(yǎng)因子影響水生細菌群落的季節(jié)性。但是，作者發(fā)現(xiàn)，在研究的乳液水中，Ntot對細菌多樣性的影響比Ptot強。雖然，放線菌屬與Ptot呈顯著正相關（圖5），這很可能與它們積極參與磷酸鹽溶解有關。值得注意的是，TSS顯著地驅(qū)動了細菌聚集的主要季節(jié)動態(tài)（圖5）。這與最近的研究報告一致，TSS是影響不同氣候區(qū)淡水中細菌多樣性和組成的主要環(huán)境非生物驅(qū)動因素。在TSS的影響下，亞熱帶水域的許多浮游細菌和浮游細菌群落都具有相同的群落結(jié)構。它也被認為是影響北極湖流系統(tǒng)組合的生態(tài)系統(tǒng)中極性細菌組成的關鍵環(huán)境因素之一。圖5 RDA圖結(jié)合細菌細菌群落、季節(jié)性變化和環(huán)境變量之間具有顯著關系。
水生細菌通過參與基本生物地球化學過程的各種活動（例如有機和無機養(yǎng)分的循環(huán)，呼吸作用以及水生環(huán)境中生物和化學污染物的衰減）在維持自然水生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著至關重要的作用。但是，在某些極端情況下，這些細菌反過來可能通過引起水質(zhì)惡化而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，例如，或者在更壞的情況下，給人類和動物都造成嚴重的健康問題（水傳播的病原體）。顯然，水生微生物群與生物水質(zhì)量以及公共和環(huán)境健康關系最密切。因此，對水生微生物多樣性，組成和動力學的全面了解對于可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)功能的水質(zhì)評估，預測和管理策略至關重要。許多公開的數(shù)據(jù)說明了淡水生態(tài)系統(tǒng)中細菌群落的空間異質(zhì)性。反復觀察到不同水生態(tài)系統(tǒng)中細菌種群的季節(jié)性，例如浮游細菌群落，沉積物中細菌群落，廢水處理廠和飲用水廠，以及河口生態(tài)系統(tǒng)。但是，季節(jié)性影響對細菌細菌群落結(jié)構的影響仍然很少得到解決。。為了研究水生微生物群落的結(jié)構和動力學，已采用各種分子方法來解決感興趣的特定目標。例如，聚合酶鏈反應-變性梯度凝膠電泳（PCR-DGGE）和16S rRNA深度測序已用于研究熱帶淡水中的細菌群落。另外，利用自動核糖體基因間間隔子分析（ARISA）作為DNA指紋圖譜方法，研究了淡水中的細菌群落。最近，隨著下一代測序（NGS）技術的發(fā)展，高通量數(shù)據(jù)量和深入的數(shù)據(jù)分辨率可更快，更好地解釋不同類型水中的微生物組成。Illumina測序平臺（MiSeq和HiSeq）已成為有利的工具。例如，MiSeq被用于研究城市河流中微生物群落組成的變化，并檢測了地表水和沉積物的空間變化。通過使用Illumina HiSeq測序的方法確定了一個大型飲用水處理廠的細菌群落的時空變化和微生物活性。顯然，通過提供極高且深入的數(shù)據(jù)量，基于Illumina測序的分析可以極大地促進各種微生物生態(tài)學研究。總體而言，到目前為止，僅涉及處理環(huán)境中細菌種群動態(tài)的公開數(shù)據(jù)非常有限。因此，盡管在各種水域（淡水和海洋）生態(tài)系統(tǒng)中，各種研究結(jié)果都得到了一致的論證，并且僅與有關水生細菌的時間模式的一些相關科學成果相一致。作者在研究的生態(tài)系統(tǒng)的細菌群落中發(fā)現(xiàn)了明顯的季節(jié)性變化，這表明寒冷季節(jié)的多樣性和豐度要比溫暖時期高得多。但是，在同一季節(jié)，群落相當穩(wěn)定。此外，作者的研究表明，暫時的細菌集合是受到一些非生物環(huán)境因素（主要是懸浮固體，溫度和氮）的影響而強烈形成的?？偠灾?，作者的研究提出了對細菌群落季節(jié)性異質(zhì)性和相關環(huán)境因素的新穎解釋，并通過分析和統(tǒng)計分析進行了驗證。結(jié)果為在淡水生態(tài)系統(tǒng)中細菌群落的季節(jié)動態(tài)提供了更深刻和新穎的見解。
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