亚热带黑潮海域中海洋原核生物和真核生物群落的不同结构因素及分布模式

《Frontiers in Marine Science》：Different structuring factors and distribution patterns of marine prokaryotic and eukaryotic communities in the subtropical Kuroshio region

　　本研究基于环境DNA测序技术，对比分析了黑潮区域春季和秋季原核生物与真核微生物群落的时空分布特征及其环境驱动机制。结果表明：原核群落结构受物理条件（水温、盐度）和叶绿素a浓度显著影响（贡献率64.6%），而真核群落更依赖食物环境与生物相互作用（叶绿素a贡献24.7%）。不同水深下群落分布差异显著，浅层以Synechococcales和Doliolida为主，深层则以Nitrosopumilales和Spumellaria占优。共生与捕食关系导致部分原核与真核（如Dinophyceae和Spirotrichea）分布相似，而Doliolida等异养生物呈现独特斑块状分布，揭示海洋微生物群落的生态功能分化。

　　
该研究以中国东海及西太平洋黑潮区域为对象，通过环境DNA（eDNA）元标签测序技术，系统对比了春季和秋季原核生物与真核微生物群落的空间分布特征及环境驱动机制。研究覆盖东中国海陆架、黑潮主轴及外围开阔海域，采样深度从表层（10米）至深层（150米），共采集65份样本，构建了首个基于eDNA技术的原核-真核微生物群落同步调查数据库。

### 一、研究背景与意义
黑潮作为西太平洋的重要暖流系统，其复杂的物理化学环境（包括盐度梯度、营养垂直输运、水团交汇等）为研究微生物群落适应性提供了理想场所。传统方法如显微观察存在样本量有限、时空分辨率低等缺陷，而eDNA技术通过同步捕获原核生物（16S rRNA）和真核生物（18S rRNA）的遗传信息，首次实现了在统一采样方案下对两类微生物群落的横向比较。

### 二、核心发现
1. **原核生物群落特征**
- 春季以黄杆菌门（33.4±11.6%）和蓝细菌纲（25.0±21.2%）为主导，秋季转为蓝细菌纲（36.4%）和古菌门（34.3%）优势
- 群落垂直分异显著：表层（10-50米）以异养菌为主，深层（100-150米）出现高丰富度（453-862）和多样性（Shannon指数7.15-8.48）
- 环境解释度达64.6%，其中叶绿素a浓度（35%）和理化条件（29.6%）为主要驱动因素

2. **真核微生物群落特征**
- 表层（0-50米）以多甲藻纲（46.7%）和硅藻门（Doliolida 60.3-67.3%）为主
- 深层（100-150米）出现独特的斑石藻门（Spumellaria 39.4-94.9%）
- 群落结构环境解释度仅为35.4%，其中叶绿素a浓度（24.7%）影响显著，理化条件贡献率不足11%

3. **群落互作关系**
- 原核生物与部分真核生物（如硅藻类、纤毛虫纲）呈现协同分布，形成"营养-分解"耦合系统
- 异养性真核生物（多甲藻纲、腹足纲）呈现离散分布特征，与浮游生物爆发期高度相关
- 发现垂直迁移现象：春季黄杆菌门在100米处仍占优势（15.2%），而秋季该门类在表层消失

### 三、环境响应机制
1. **原核生物环境适应性**
- 表层春季黄杆菌门与叶绿素a浓度呈显著正相关（r=0.489）
- 古菌门（Nitrosopumilales）在100米处占比达17.8%，显示氨氧化作用对深层环境的适应
- 盐度波动（34.5-34.8 Practical Salinity Units）对群落结构影响较温度（18-27℃）更显著

2. **真核生物生态位分化**
- 多甲藻纲（Syndiniales）在所有季节表层占比均超40%，显示其在低营养环境中的竞争优势
- 斑石藻门（Spumellaria）在深层占比达94.9%，与上升流带来的有机碎屑输入相关
- 发现新型异养组合：腹足纲（Doliolida）与硅藻门（Peridiniales）形成"滤食-分泌"共生关系

### 四、方法论创新
1. **多维度采样设计**
- 采用"垂直梯度+水平 transect"组合采样（10/50/100/150米深度，每航次6条调查线）
- 引入叶绿素a浓度动态监测（每50米采样点同步分析）

2. **eDNA分析流程优化**
- 开发双套标记PCR技术（16S+18S双靶向扩增）
- 建立标准化处理流程：包括三次无菌过滤（0.22微米）、RNAlater固定（2mL/50mL样品）
- 采用SILVA 138数据库进行三级分类（置信度70%阈值）

3. **数据分析创新**
- 构建"群落相似度-环境因子"联合分析模型（DistLM）
- 开发分层聚类算法（hierarchical clustering with Bray-Curtis dissimilarity）
- 发现环境因子解释力梯度：原核生物（64.6%）>真核生物（35.4%）>生态因子（<10%）

### 五、生态学启示
1. **食物网结构重构**
- 建立"浮游植物（叶绿素a）→黄杆菌门（35%）→硅藻类（Syndiniales 46.7%）→滤食性腹足类（Doliolida 67.3%）"的垂直食物链模型
- 发现真核生物中特有的"硅藻-多甲藻"竞争关系（季节交替期硅藻丰度下降15-20%）

2. **环境响应阈值**
- 原核生物环境适应临界点：叶绿素a<0.1 μg/L时蓝细菌门占比下降至5%以下
- 真核生物爆发临界条件：盐度波动超过±0.5 Practical Salinity Units时出现群落重组

3. **群落稳定性机制**
- 原核生物通过"功能冗余"（Flavobacteriales与SAR11 clade互补）维持系统稳定性
- 真核生物依赖"时空分异"（如Spumellaria在150米处的独特优势）实现功能补偿

### 六、研究局限与展望
1. **技术限制**
- eDNA浓度检测下限（0.1ng/μL）导致部分稀有物种（<0.1%）漏检
- 现有参考数据库在热带/亚热带真核生物分类上准确率仅达68%

2. **模型优化方向**
- 需引入浮游动物肠道内容物DNA分析（当前占比12.7%）
- 建议开发"环境因子-功能基因"关联分析模块

3. **应用前景**
- 搭建黑潮区域微生物群落环境响应预测模型（准确率已达82.3%）
- 为赤潮预警提供生物标志物（如Synechococcales丰度>30%时预警准确率91.5%）
- 开发基于eDNA的海洋生物多样性实时监测系统（采样频率提升至1次/小时）

本研究首次在单一研究体系中实现原核与真核微生物群落的协同解析，发现两者在环境响应阈值（原核<0.5叶绿素a vs 真核>1.0）和群落重组机制（物理驱动vs生物互作）上的显著差异。这些发现为理解黑潮区域"物理-生物"耦合机制提供了关键证据，并建立了一套可推广至其他海洋系统的eDNA多组学分析框架。后续研究建议采用空间强化采样（100m×100m网格）结合多组学技术（代谢组+转录组），以更精细解析微生物功能群的环境适应策略。