Microbiome：长江中浮游和底栖硅藻的生物地理模式
以下文章来源于红皇后学术 ，作者红皇后学术
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论文信息
论文题目：Molecular biogeography of planktonic and benthic diatoms in the Yangtze River
期刊：Microbiome
IF：11.607
发表时间：2019
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摘要
硅藻是海洋中初级生产者的重要组成更份，但是目前对其在贫营养河流中的生物地理分布还并不清楚。
本文对来自长江的279个样本进行的宏条形码分析，提供了世界第三大河流长江连续6030流域内浮游和底栖硅藻的第一个完整的生物地理分布图。
研究表明，从河源到河口，硅藻在不同地形（包括高原、山区、山麓、盆地和平原地区）下具有明显的空间差异。
有效光照强度、温度、河道坡度、营养物质以及人为干扰是长江流域内硅藻群落变化的主要环境驱动因素。
世界上最大的两个水坝，三峡大坝和溪洛渡大坝导致下游河流中典型的底栖硅藻（如Pinnularia、Paralia和Aulacoseira）的相对丰度显著降低。
本研究表明，底栖硅藻对于表征河流环境中动态效应具有特别重要的意义，它为深入了解大型河流生态系统中的硅藻生物地理学和生物地球化学循环提供了基础。
引言
硅藻在诸如碳、氮、磷和二氧化硅等主要元素的生物地球化学循环中发挥着特别重要的作用，其主导的初级生产过程约占全球的20-25％。
硅藻是单细胞、真核、光合微生物，在环境中普遍存在且种类繁多，通常是海洋和淡水生态系统的主要初级生产者，在这些生态系统中，硅藻在系统发育组成或生物地理分布方面可能会明显不同。
硅藻的准确识别取决于所用方法的可靠性，形态分析需要分类学专业知识，并且在表征河流中特定硅藻上可能存在一些缺陷。
随着高通量测序技术的发展，DNA宏条形码技术已成为一种快速、准确、可靠的硅藻检测方法。基于不同的基因，包括COI、ITS和18S rDNA，研究远远已经成功进行了各种DNA宏条形码研究。
对于硅藻来说，Malviya等应用基于真核生物18S rDNA的V9区域的DNA宏条形码技术，对海洋中浮游硅藻的多样性和分布进行了研究。此外，在近期的河流和三角洲系统的研究中，研究人员又建立了基于18S rDNA的V4区域的硅藻DNA宏条形码技术。
与海洋和湖泊中的硅藻和富营养化的研究相比，目前对于小型河流和贫营养河流中硅藻的研究海处于相对初级的阶段。
实际上，以前关于河流硅藻动力学的报道主要集中在支流、小河、河段、站点和河口，有许多基于形态学鉴定浮游或底栖硅藻多样性和组成的研究。虽然研究发现硅藻可以作为河流环境条件的生物指示者，但是浮游和底栖硅藻的时空分布还并不清楚。
生物地理学研究旨在揭示生物多样性的空间和时间分布，并深入了解塑造和维持其群落结构的机制。
空间扩散和环境选择过程被认为是细菌群落生物地理格局的重要驱动因素，前者根据物种在当地环境条件下的生存和繁殖能力，促进物种的移动及其在新位点的定殖，而后者则改变物种的丰度和组成。
使用形态学分析，已证明类似的解释适用于小型河流中浮游或底栖硅藻群落的生物地理模式，然而，尚不清楚在受到复杂自然和人为影响的大型河流中，浮游和底栖硅藻群落的整体时空分布是如何通过空间扩散和环境选择过程来形成的。
为了回答上述问题，本研究对中国长江流域6030公里区域内的62个水文站点的硅藻群落进行了大规模同步监测，从而提供了亚洲最大河流中浮游和底栖硅藻的第一个分子生物地理分布图。
结果
本研究从279个样本中公产生了8,602,620个V4 18S rDNA的reads，这些数据以97％的相似度阈值聚类为3947个OTU，其中3144个OTU与参考数据库中的454种硅藻匹配。
稀疏曲线以及Good’s coverage（0.9854～0.9992）说明，通过当前测序深度获得的OTU可以合理地表示长江流域的硅藻群落，并通过OTU代表序列与参考序列构建系统发育树进一步证实了分类学注释的准确性。
硅藻群落的alpha和beta多样性
本研究所有样品中注释到的硅藻属于4个纲、37个目、60个科、152个属，本研究所使用的技术特别适合于监测纳米级别的硅藻，发现了多种体型非常小的硅藻。
本鸭牛采集的样品共分为6类，分别为高原水体、高原沉积物、非高原春季水体、非高原秋季水体、非高原春季沉积物和非高原秋季沉积物。(可能是高原没有春秋之分，所以只有一个季节，个人猜测，并不确定，对高原不是很了解)
在高原地区，浮游硅藻具有最高的丰富度和多样性，而底栖硅藻的丰富度最低，非高原不同类型样品硅藻的丰富度和多样性没有明显差异。
NMDS分析表明，高原与非高原样品的硅藻群落存在明显的空间差异，同时，浮游和底栖硅藻群落也存在明显的不同，此外，在非高原地区，浮游硅藻群落的季节性差异远高于底栖硅藻。
硅藻群落的生物地理模式
已经有多种硅藻物种被发现于碳排放相关，本研究使用相关性分析的方法发现多种浮游和底栖硅藻的丰度与溶解性二氧化碳的含量显著相关。
在长江中，浮游和底栖硅藻的组成具有明显差异，浮游硅藻主要是Coscinodiscophyceae（43.76%）和Mediophyceae（17.91%），底栖硅藻主要是Bacillariophyceae（54.88%）和Coscinodiscophyceae（30.96%）。
在属水平，水体中主要的硅藻为Cyclotella、Stephanodiscus、Pinnularia和Paralia，而沉积物中主要的硅藻为Navicula、Pinnularia和Cyclotella。
在长江流域，不同地形中主要的硅藻也并不相同，在高原、山区、丘陵、盆地、山丘和平原地区，优势的浮游硅藻分别为Cymbella、Asterionella、Stephanodiscus、Melosira、Cyclotella和Conticribra，优势的底栖硅藻分别为Cymbella、Navicula、Melosira、Conticribra、Cyclotella和Surirella。
对一条大河流的生物地理格局的完整描述需要确定不同类型样本之间硅藻组成的差异及其时空异质性，通过指示物种分析，可以识别造成六种样品之间群落差异的硅藻。
不同样品中发现的指示硅藻数目从6到41不等，其中高原水体和沉积物中硅藻的指示物种分别主要属于Tabellariales和Hemiaulales，指示物种在高原样品中所占的比例超过40%，这可能是高原与非高原硅藻群落明显差异的主要原因。
根据硅藻的生物学特性，可以根据其对营养物和动态扰动的不同响应而分为低等、高等、运动和浮游性4类。运动型的底栖硅藻在大多数样品中流程程度很高，而高等和浮游性的底栖硅藻分别上游和下游河段比较流行。此外，在长江沿岸的大多数站点中，浮游性硅藻是浮游硅藻的主要成分。
硅藻生物地理学的环境效应
最小二乘线性回归发现，长江中硅藻群落具有显著的距离依赖相似性，距离越小的站位之间硅藻群落相似性越高，并且这种相似性在水体中要弱于沉积物中。
偏Mantel分析表明地理和环境距离对于长江流域硅藻的组成分布具有显著影响，CCA表明硅藻群落与特定的环境或空间因子，比如水温、pH、悬浮颗粒物、PCNM1均有显著的相关性，VPA表明环境因子对长江硅藻群落的影响要强于空间因子。
作为确定性过程，环境选择在浮游和底栖硅藻的生物地理学中发挥了关键作用，尽管在形成硅藻群落的过程中，环境差异似乎比空间分散更重要，但这两者的任何一个都不能完全解释硅藻群落的总体变化。而除了这些之外，典型的环境成分，例如有效光强度、温度、河道坡度和营养物质，对于硅藻群落的空间扩散都是必不可少的影响因素。
光合活性辐射(PAR)是指硅藻利用光合作用合成生物量的能力，作者根据长江流域年平均PAR，将研究的站位分为了4个不同的水平，青藏高原区域为高水平，横断山脉区域为较高水平，四川本地区域为低水平，其它下游区域为中水平。
之后使用LefSe识别了4个不同PAR水平对硅藻丰度的影响，在高PAR区域富集的硅藻包括Caloneis、Cymbella、Fistulifera和Fragilaria，在中PAR区域富集的硅藻为Papiliocellulus，低PAR区域富集的硅藻为Conticribra和Cyclotella，较高PAR区域富集的硅藻为Cymatopleura、Navicula、Asterionella、Biddulphia、Diatoma和Encyonema。
温度是影响硅藻群落的另一个重要环境因子，长江中底栖硅藻群落的丰富度随着水温的升高而增加。
流量是硅藻空间分布的重要影响因子，通常通过河道坡度进行评估，根据长江流域的河道坡度，作者将整个流域分为3个阶段，山地区域是陡峭坡度，上游区域是中度坡度，中下游是低坡度。
在雨季，高的流量减弱了浮游群落与河道坡度的相关性，但是底栖硅藻群落与河道坡度的相关性依然显著。
以N/P比为代表的营养条件是影响藻类生物量的另一个环境指示者，在长江流域，浮游硅藻的alpha多样性与年平均可溶解性氮磷比显著相关，同时样品监测的氮磷比与水和沉积物中硅藻的群落组成显著相关。
除此之外，人类干扰是另一个重要的影响因素，在长江流域，最重要的人类影响就是大型水利工程，在本研究中，三峡和溪洛渡大坝上下游的硅藻群落具有明显的变化，并且导致了特定底栖物种，例如Pinnularia、Paralia和Aulacoseira丰度的显著下降。
讨论
在河流生态系统中，浮游和底栖藻类都是初级生产者的重要组成部分，先前的研究主要集中在大型河流浮游藻类的种类组成和丰富度及其对污染、扰动以及理化因素的响应。在这项研究中，作者对长江中的水和沉积物进行了同步采样，从而揭示了浮游和底栖硅藻的整体结构及其生物地理格局的环境驱动因素。
由于盐度和水力条件的显着差异，长江中硅藻的组成与湖泊和海洋明显不同。例如，Actinocyclus、Aulacoseira、Cyclotella、Fragilaria和Synedra在日本霞浦湖的硅藻群落中占主导地位。此外，据报道，Chaetoceros、Fragilariopsis、Thalassiosira和Corethron是全球海洋中最丰富的硅藻属。
在海洋生态系统中，硅藻富含于营养丰富的沿海地区，尤其是在高纬度地区。在河流生态系统中，青藏高原冰川起源的硅藻与长江主体的硅藻存在显着差异。长江水和沉积物中最常见的硅藻及其丰度排序为：Cyclotella、Navicula、Pinnularia、Stephanodiscus和Cymbella。
长江沿岸的水和沉积物同步采样，使得比较浮游和底栖硅藻的生物地理学成为可能。
研究的结果发现，尽管在非高原地区浮游和底栖硅藻的多样性水平非常相似，但它们的群落组成却明显不同。浮游硅藻主要以Cyclotella（平均相对丰度：17.66％）、Stephanodiscus（12.81％）、Pinnuria（7.53％）、Paralia（7.34％）和Skeletonema（4.90％）为主，而底栖硅藻则由Navicula（13.12％）、Cyclotella（10.33％）、Pinnularia（10.12％）、Surrella（7.10％）和Stephanodiscus（6.53％）。
同时，浮游硅藻的季节差异比底栖硅藻更明显，单因素方差分析表明，长江的水温在春季和秋季之间存在显着差异，秋季的水温（平均21°C）比春季的水温（平均11°C）更适合浮游硅藻的生长。
此外，由于上游不同来源的硅藻的引入以及春季和秋季的不同水文过程，水流的季节性波动似乎影响了浮游硅藻的群落结构。同时，沉积物中硅藻群落的季节性差异较弱，可能是由于大多数底栖硅藻对季节性变化反应较弱，并通过长期的沉积过程达到了一种相对平衡的状态。
浮游与底栖硅藻之间的相互作用一直是大型河流生态系统关注的主要问题之一，在长江中，这种相互作用可能有多种后果。
首先，同一站位的水和沉积物样本中的浮游群落组成与底栖硅藻显着相关，并且在水中发现了典型的底栖硅藻（Nitzschia和Navicula）。局部地区的相互作用可能导致底栖和浮游生物通过藻类细胞的迁移而形成耦合状态，这意味着浮游植物可以来源于底栖硅藻，而下沉的浮游藻类也可以成为底栖藻类。
其次，浮游硅藻的丰富度主要随PAR波动，而底栖硅藻的丰富度则随温度而变化，并且营养水平（TN：TP）对浮游和底栖硅藻的多样性和变异具有不同的影响。这些结果进一步解释了光、温度和养分竞争方面的局部相互作用。
第三，基于“River continuum concept” 和“Continuous discontinuity concept”，底栖或浮游藻类的优势物种会随自然河川坡度（例如河道坡度）而变化，并且相互作用总是被大坝建设和污染物排放等人为因素干扰。
大坝建设会引起多种水力条件的各种变化，减少下游沉积物的光照，使其成为不适合底栖硅藻生存的环境。此外，它不仅削弱了底栖硅藻和浮游硅藻在光和养分之间的竞争性相互作用，还降低了它们的迁移速度。也就是说，随着河道的加深，来自游离底栖藻类的浮游藻类的数量和来自沉降浮游藻类的底栖硅藻的数量都将减少。
长江流经各种地形，包括高原、山地、丘陵、盆地、山丘和平原地区，浮游和底栖硅藻群落在不同类型地形具有明显的空间变化，这宗变化与不同地形土壤特性、温度、高度、光照和养分的变化想对应。例如，青藏高原的特点是温度低、海拔高、PAR最大，而盆地（主要位于四川省）的光照水平最低，到长江中下游平原，海拔普遍下降，温度和营养水平（氮和磷）增加。
确定环境选择和空间扩散对河流生态系统中藻类群落的影响仍然是一项挑战。在长江流域，环境选择对群落差异（在浮游或底栖硅藻中）的解释至少是空间扩散过程的三倍，这于之前多个研究的结果一致，总体而言，环境选择是长江中浮游和底栖硅藻群落生物地理格局的主要驱动力。
环境选择过程对硅藻生物地理模式的驱动受PAR、温度、河道坡度和营养水平的影响，底栖硅藻的群落结构是长江环境选择的典型结果。
首先，据报道，PAR会驱动硅藻的生长，但是过量的PAR会影响各种细胞过程并降低硅藻的生长或生存力。在本研究中，不同的硅藻对于光照强度的偏好不同，表明硅藻具有多种光调节机制和适应性反应。
尽管光和温度对于硅藻的生长都是必不可少的，但浮游和底栖硅藻对PAR和水温的偏好不同。在表层海洋中，由于全球变暖，浮游硅藻已被小型浮游植物所取代，这回导致初级生产能力和碳转运减少。在长江中，作者观察到底栖硅藻的丰富度会随着温度的升高而增加，这表明底栖硅藻对温度变化的响应比河流生态系统中的浮游硅藻更敏感。
其次，作为影响硅藻空间主要驱动力，河道坡度不仅影响物种之间的竞争和演替过程，而且还会改变其营养利用策略，从而改变硅藻的生长[59]。在长江的底栖硅藻中，能够快速移动并在某些情况下选择最佳微生境的运动型硅藻的丰度在40％以上的丰度。换句话说，运动型群落可以快速响应环境变化，而以运动型物种为主的底栖硅藻更适合反映沿河环境异质性的影响。
结论
本研究提供了长江流域浮游和底栖硅藻的第一个分子生物地理模式图，从时间上看，浮游硅藻群落在主体流域地区表现出明显的季节性差异，并且水和沉积物的优势硅藻会随地貌而变化。与空间扩散过程相比，环境选择过程是硅藻生物地理学的主要驱动力，这可以从RAP、河道坡度、养分和人类活动等方面进一步解释。并且研究表明，生态群落中运动型物种所代表的底栖硅藻是低营养河流中环境选择的典型结果，这突显了底栖硅藻在研究世界性大型河流生态系统中生物地球化学循环方面的特殊重要性。
方法流程
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