地中海高山湖泊沉积古DNA揭示430年来原核生物群落对气候变化的响应机制

《Microbial Ecology》：Temporal succession of bacterial and archaeal communities in a Mediterranean high-mountain lake over the last 430 years using sedimentary DNA

　　本研究通过沉积古DNA(sedDNA)技术，重建了西班牙内华达山脉Borreguil湖过去430年的细菌和古菌群落演替轨迹。研究人员发现自1960年以来，原核生物群落发生显著重组，随机森林模型揭示溶解有机碳(DOCw)、有机氮、撒哈拉沙尘输入(SPI)和温度(MATA)是驱动微生物丰度、多样性(Shannon指数)和群落组成(β-多样性)的关键因子。该研究为预测敏感生态系统微生物对气候变化的响应提供了重要基线数据。

　　

在地中海高山区，气候变化正以惊人的速度重塑着脆弱的高山生态系统。位于西班牙内华达山脉的Borreguil湖（海拔3020米）作为气候变化的敏感指示器，其微生物群落如何响应长期环境变化仍是一个未解之谜。随着区域气温以每十年0.13°C的速度上升，夏季降水量显著减少，这些变化与撒哈拉沙尘输入事件共同影响着湖泊的生态动态。尽管前人研究已揭示了藻类、硅藻和枝角类生物的变化模式，但对沉积物中细菌和古菌群落的长时期演替规律却知之甚少。

为了解开这个谜题，研究团队在《Microbial Ecology》发表了创新性研究，他们利用沉积古DNA技术，结合古环境指标和气候数据，重建了该湖过去430年原核生物群落的演变历程。这项研究不仅揭示了微生物群落对气候驱动的环境变化的响应机制，还识别了影响群落结构的关键环境驱动因子。

研究人员运用了多项关键技术：通过²¹⁰Pb和¹³⁷Cs放射性定年技术建立沉积物年代序列；利用沉积叶绿素a(Chl-a)和可见-近红外光谱(VNIR)重建古生产力与溶解有机碳(DOC_w)历史；采用定量PCR(qPCR)测定细菌和古菌16S rRNA基因绝对丰度；应用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA基因扩增子测序分析群落组成；最后通过随机森林(Random Forest)模型识别关键环境驱动因子。所有沉积物样本均来自Borreguil湖3020米海拔处采集的26厘米沉积岩芯。

微生物丰度与多样性的长期变化

研究显示细菌和古菌的绝对丰度在430年间逐渐增加，特别是在1960年后出现显著上升。细菌的扩增子序列变异(ASVs)数量从310增加到953，香农多样性指数从3.8升至6.1；古菌的ASVs数量相对稳定（约300-400），但香农多样性显著提高（2.6-5.3）。去趋势对应分析(DCA)表明群落结构在1950-1960年后发生明显转变，非度量多维尺度分析(NMDS)进一步证实了微生物群落组成的显著时间更替。

古菌群落组成演变

古菌群落经历了明显的演替过程：1594-1843年间泉古菌门(Crenarchaeota)占主导（67.5-88.8%），其中Bathyarchaeia属最为丰富；1843-1970年间热浆菌门(Thermoplasmata)、微小古菌门(Micrarchaeota)和纳米古菌门(Nanoarchaeota)逐渐增加；1970-2020年间群落以纳米古菌门（27.5%）、热浆菌门（18.6%）和泉古菌门（14.4%）为主。值得注意的是，产甲烷菌如Methanomassilicoccaceae、Methanoregulaceae等仅在1892年后被检测到，表明近代环境变化促进了甲烷生成过程。

细菌群落组成重组

细菌群落同样表现出显著的时间变化：1970年前以绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidota)和酸杆菌门(Acidobacteriota)为主；1970年后蓝藻门(Cyanobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)相对丰度显著增加（分别从4.4%到16.1%和1.9%到13.8%）。具体属水平上，Cyanobium_PCC-6307（蓝藻门）从3.5%增加到22.4%，而一些寡营养类群如Aminicenantales目和GIF9属则逐渐减少。

环境驱动因子分析

随机森林模型揭示了不同时期的主导驱动因子：在1594-1905年间，有机氮百分比(organic N%)和C/N比是影响古菌和细菌丰度与多样性的主要因素；而在1905-2020年间，气候变量成为主要驱动因子，溶解有机碳(DOC_w)和撒哈拉降水指数(SPI)对细菌群落影响显著，而有机氮百分比、温度异常(MATA)和SPI则对古菌群落更为重要。特别值得注意的是，撒哈拉沙尘输入通过提供生物可利用磷和其他营养物质，显著刺激了微生物活性和初级生产。

研究结论表明，地中海高山湖泊的微生物群落对气候变化表现出高度敏感性，特别是近几十年来 warming 和沙尘沉积的增加共同促进了微生物丰度和多样性的提高。古菌和细菌群落的不同响应模式揭示了它们对环境变化的差异化适应策略：细菌群落更直接响应碳利用率和养分输入的变化，而古菌群落则对温度变化和氮循环变化更为敏感。

这项研究的重要意义在于首次提供了地中海高山区微生物群落对长期气候变化的响应基准，为预测未来气候情景下敏感生态系统的微生物生态演变提供了科学依据。研究发现的高山湖泊持续富营养化迹象（如蓝藻门增加）尤其值得关注，这表明即使是在偏远的高山生态系统，气候变化也正在引发显著的生态重组。研究结果强调了对高山湖泊生态系统进行持续监测和保护的必要性，这些系统作为全球变化的早期预警指标具有不可替代的价值。