期刊：Applied and Environmental Microbiology   

影响因子：5.005        

发表时间：2022

样本类型：水体

客户单位：中国海洋大学

凌恩客户中国海洋大学发表在《Applied and Environmental Microbiology》上的文章“Seasonal Succession and Temperature Response Pattern of a Microbial Community in the Yellow Sea Cold Water Mass”，结果表明，温度是构成微生物季节性的基本因素，该研究结果为了解温度干扰下微生物群落的变化模式提供了重要的见解。

一、研究背景

解释海洋微生物的时间动态对于预测其在环境干扰下的变化模式至关重要。虽然温度对微生物季节性的影响已经得到了广泛的研究，但温度响应模式的系统发育结构以及温度变化在多大程度上导致了破坏性的群落变化仍不清楚。

二、实验设计

本研究共收集了161个不同深度的海水样本，样本来自YS的34个地点，涵盖两个季节（夏季和冬季；如下图所示）。

图1 研究区域概况和实验设计

三、实验结果

1、原核生物群落的季节变化强于空间变化

原核生物群落多样性（Shannon和Chao 1）和均匀度在冬季高于夏季（P<0.001），从表层到底层呈递增趋势。与α多样性相比，定量PCR得到的细菌丰度呈逆季节变化趋势，夏季高于冬季（P<0.001）。古菌的数量总体上比细菌少，而且在季节间没有明显变化，但在地表水样本中的古菌在冬季更丰富。

NMDS分析表明，原核群落组成在区域、深度和季节之间存在显著差异（图2A），群落在季节间的变化比在区域和深度间的变化更明显。温度被认为是驱动这种群落迁移的最重要因素，其次是磷酸盐、深度等（图2A）。

图2 不同海水样品中原核生物群落组成和α多样性的比较及温度效应。

2、温度驱动下，YSCWM与往年冬季样品群落相似性较高

环境特征表明，相较于夏季样本，YSCWM和冬季样本的温度较低，盐度和营养水平较高。在群落组成方面，NMDS分析结果表明，位于YSCWM内部（n = 28）、边缘（n = 19）和外部（n = 46）之间的夏季样品显著分离（图2B）。冬季的YSCWM群落与前YSCWM群落的相似性高于YSCWM外部群落的相似性（图2B）。

此外，结果表明，温度和群落组成之间存在明显的相关作用（图2B）。随着温度差异的增加，群落差异显著增加（rho = 0.696；图2C）。采用零模型分析，以探索支持所观察到的地理模式的机制，结果表明，同质选择是控制YSCWM及其之前冬季样本群落变异的唯一过程，并解释了在这些冷水中群落变异的比例高于在温暖水域。

3、YSCWM保存了大部分以前的冬季微生物，为确定微生物的季节性提供了一个独特的视角

本研究进一步比较了YSCWM内外季节间丰富和贫乏的ASVs，以详细描述群落随时间的变化过程。约9.4%的ASVs在YSCWM与之前的冬季样品之间存在差异分布，低于夏季和冬季样品之间的差异分布比例（14.9%）。夏季样品无论在YSCWM内还是在YSCWM外，其ASVs的贫化程度都高于冬季样品。对丰度top的ASVs进一步分析表明，在YSCWM中，大多数优势的冬季样本中的微生物存在持久性，但在夏季样本中，冬季ASVs的特异性程度高于夏季样本（图3B和C）。

为了研究冬夏过渡期间微生物群落的系统发育聚类程度的变化，本研究计算了样本特异性最近分类单元指数（NTI）。从寒冷到温暖的条件下，样本NTI值有所下降（图3D），温度与NTI值呈负相关（图3E）。

图3 在不同生境间ASVs的变化模式与系统发育关联性。

4、微生物关联模式的保存和预测的功能

为了探索这一独特的群落过渡过程所涉及的生态意义，本研究调查了微生物共存关系的变化并预测了功能潜力。所有生境的共发生网络均以正相关为主（67.9 ~ 93.4%）。网络拓扑结构显示，YSCWM与以往冬季样品的共发生模式相似，而夏季和冬季样品的共发生模式则截然不同（图4A）。

Tax4Fun2功能预测结果显示，冷水样品之间预测到的功能有很高的相似性，并与温水样品明显分离（图4B）。从寒冷到温暖的条件下，可以观察到功能通路减少的一般趋势（图4D）。

图4 微生物群落的共发生模式和预测功能概况。

5、对温度的适应:一个狭窄的阈值范围和系统发育结构模式

为了研究温度的变化在多大程度上导致了破坏性的群落更替，以及个体类群如何响应温度的变化，本研究使用TITAN2评估了温度阈值。研究发现42.0%和21.0%的ASVs分别对温度升高有正响应和负响应。

本研究进一步研究了微生物对温度变化的反应是否与系统发育有关。Fritz和Purvis的D检验显示，正向（D = 0.877，P<0.05）和负向（D = 0.887，P<0.05）的系统发育为非随机响应模式。此外，Mantel相关图分析揭示了成对的系统发育（遗传）距离与温度响应的差异之间的关系（图5B）。在相对较小的遗传距离下，ASVs的温度响应与遗传距离之间没有观察到负相关和/或无相关，当遗传距离在22.8% ~ 27.2%之间两者呈正相关，在此之后，相关性再次变为负值。

总的来说，虽然微生物对温度的反应是系统发育结构的，但它们广泛分布在不同的分类群中。

图5 微生物对海水温度变化的反应模式。

四、研究结论

本研究通过考察冬季到夏季伴随少量温度变化的微生物群落变化，提供了一种新的微生物季节性情景。本研究强调了温度相对于其他共变因素对微生物季节性的影响，并强调了温带海水微生物对温度变化的敏感性。温度响应模式有助于预测全球变暖将如何影响海洋环境中的微生物。

参考文献

Seasonal Succession and Temperature Response Pattern of a Microbial Community in the Yellow Sea Cold Water Mass. Applied and Environmental Microbiology, 2022.