So sánh các mẫu đa dạng và quá trình hình thành cộng đồng vi sinh vật trong liên tục sông-hồ qua quy mô lưu vực ở tây bắc Trung Quốc

Environmental Microbiome - 2020
Xiangming Tang1, Guobo Xie1, Kwang‐Tsao Shao1, Yang Hu1, Jian Cai1, Chengrong Bai1, Yi Gong1, Guang Gao2
1Taihu Laboratory for Lake Ecosystem Research, State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China

Tóm tắt

Tóm tắt Giới thiệu Các vi sinh vật trong sông và hồ rất quan trọng cho quá trình tái chế dinh dưỡng trong các hệ sinh thái thủy sinh. Việc hiểu các quá trình sinh thái hình thành cộng đồng vi sinh vật là rất quan trọng đối với sinh thái học vi sinh nước và sinh địa lý học. Tuy nhiên, sự đa dạng của các vi sinh vật và các lực lượng điều khiển sự đa dạng này vẫn chưa được hiểu rõ. Điều này đặc biệt đúng trong khuôn khổ liên tục sông-hồ ở các vùng khô hạn. Kết quả Sử dụng nỗ lực lấy mẫu toàn bộ lưu vực, chúng tôi đã khám phá các mẫu sinh địa lý và cơ chế hình thành cộng đồng vi sinh vật (vi khuẩn và archaea) trong lưu vực của hồ nước ngọt nội địa lớn nhất (Hồ Bosten) tại Trung Quốc. Mẫu nước từ các nhánh đầu nguồn, dòng chính của sông Kaidu đến hồ Bosten ở hạ lưu đã được đặc trưng hóa bằng phương pháp định lượng chuỗi gen 16S rRNA. Độ đa dạng α cao hơn được tìm thấy trong dòng chính của sông Kaidu và trong các nhánh so với Hồ Bosten. Thành phần cộng đồng vi sinh vật cũng khác biệt một cách đáng kể giữa hồ và các môi trường sống của sông liên kết với nó. Phân tích tương ứng chính cho thấy độ mặn và tổng chất rắn lơ lửng là những yếu tố môi trường quan trọng nhất hình thành sự biến đổi trong cộng đồng. Tổng cộng, các yếu tố môi trường thuần túy và các yếu tố không gian thuần túy giải thích 13,7% và 5,6% của sự biến đổi cộng đồng, trong khi 32,0% sự biến đổi được giải thích bởi các biến số kết hợp giữa môi trường và không gian. Những quan sát này cho thấy rằng sự biến động môi trường được cấu trúc theo không gian chủ yếu hình thành sinh địa lý vi sinh vật trong vùng này. Cả quá trình quyết định và ngẫu nhiên đã ảnh hưởng đến sự hình thành cộng đồng vi sinh vật trong các môi trường sống sông và hồ, và mẫu ngẫu nhiên đặc biệt rõ rệt với hệ vi sinh vật trong môi trường sống của sông. Phân tích mạng lưới đồng xuất hiện cho thấy sự tương quan phong phú và phức tạp hơn giữa các loại taxa thường xuyên xảy ra trong môi trường sống hồ so với môi trường sống của sông, cho thấy rằng các tương tác sinh thái đa loài (ví dụ, cạnh tranh) đã hình thành cấu trúc cộng đồng vi sinh vật hồ. Kết luận Các phát hiện của chúng tôi cho thấy một chuỗi sinh thái dọc theo liên tục sông-hồ của các cộng đồng vi sinh vật trong lưu vực hồ nước ngọt nội địa lớn nhất tại Trung Quốc, và nhấn mạnh các tác động của các yếu tố môi trường được cấu trúc theo không gian đến sự đa dạng β vùng và các tương tác loài đến sự hình thành cộng đồng tại địa phương.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Ren Z, Wang F, Qu X, Elser JJ, Liu Y, Chu L. Taxonomic and functional differences between microbial communities in Qinghai Lake and its input streams. Front Microbiol. 2017;8:2319.

Dugan HA, Bartlett SL, Burke SM, Doubek JP, Krivak-Tetley FE, Skaff NK, et al. Salting our freshwater lakes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114(17):4453–8.

Tang X, Xie G, Shao K, Bayartu S, Chen Y, Gao G. Influence of salinity on bacterial community composition in Lake Bosten, a large oligosaline lake in arid northwestern China. Appl Environ Microbiol. 2012;78(13):4748–51.

Shoemaker WR, Locey KJ, Lennon JT. A macroecological theory of microbial biodiversity. Nat Ecol Evol. 2017;1(5):0107.

Hahn MW. The microbial diversity of inland waters. Curr Opin Biotechnol. 2006;17(3):256–61.

Read DS, Gweon HS, Bowes MJ, Newbold LK, Field D, Bailey MJ, et al. Catchment-scale biogeography of riverine bacterioplankton. ISME J. 2015;9(2):516–26.

Savio D, Sinclair L, Ijaz UZ, Parajka J, Reischer GH, Stadler P, et al. Bacterial diversity along a 2600 km river continuum. Environ Microbiol. 2015;17(2):4994–5007.

Liu T, Zhang AN, Wang JW, Liu SF, Jiang XT, Dang CY, et al. Integrated biogeography of planktonic and sedimentary bacterial communities in the Yangtze River. Microbiome. 2018;6:16.

Yang J, Ma L, Jiang HC, Wu G, Dong HL. Salinity shapes microbial diversity and community structure in surface sediments of the Qinghai-Tibetan Lakes. Sci Rep. 2016;6:25078.

Xue Y, Chen H, Yang JR, Liu M, Huang B, Yang J. Distinct patterns and processes of abundant and rare eukaryotic plankton communities following a reservoir cyanobacterial bloom. ISME J. 2018;12(9):2263–77.

Adams HE, Crump BC, Kling GW. Metacommunity dynamics of bacteria in an arctic lake: the impact of species sorting and mass effects on bacterial production and biogeography. Front Microbiol. 2014;5:82.

Lottig NR, Stanley EH, Hanson PC, Kratz TK. Comparison of regional stream and lake chemistry: differences, similarities, and potential drivers. Limnol Oceanogr. 2011;56(5):1551–62.

Xu Z, Xu YJ. Dissolved carbon transport in a river-lake continuum: a case study in a subtropical watershed. USA Sci Total Environ. 2018;643:640–50.

Ylla I, Peter H, Romani AM, Tranvik LJ. Different diversity-functioning relationship in lake and stream bacterial communities. FEMS Microbiol Ecol. 2013;85(1):95–103.

Zhou J, Ning D. Stochastic community assembly: does it matter in microbial ecology? Microbiol Mol Biol Rev. 2017;81(4):e00002–17.

Goldford JE, Lu NX, Bajic D, Estrela S, Tikhonov M, Sanchez-Gorostiaga A, et al. Emergent simplicity in microbial community assembly. Science. 2018;361(6401):469–74.

Hubbell SP. The unified neutral theory of biodiversity and biogeography. Princeton and Oxford: Princeton University Press; 2001.

Gewin V. Beyond neutrality - ecology finds its niche. PLoS Biol. 2006;4(8):1306–10.

Rosindell J, Hubbell SP, Etienne RS. The unified neutral theory of biodiversity and biogeography at age ten. Trends Ecol Evol. 2011;26(7):340–8.

Dini-Andreote F, Stegen JC, van Elsas JD, Salles JF. Disentangling mechanisms that mediate the balance between stochastic and deterministic processes in microbial succession. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(11):E1326–E32.

Hanson CA, Fuhrman JA, Horner-Devine MC, Martiny JBH. Beyond biogeographic patterns: processes shaping the microbial landscape. Nat Rev Microbiol. 2012;10(7):497–506.

Chase JM, Myers JA. Disentangling the importance of ecological niches from stochastic processes across scales. Philos Trans R Soc B-Biol Sci. 2011;366(1576):2351–63.

Stegen JC, Lin XJ, Fredrickson JK, Chen XY, Kennedy DW, Murray CJ, et al. Quantifying community assembly processes and identifying features that impose them. ISME J. 2013;7(11):2069–79.

Stegen JC, Lin XJ, Konopka AE, Fredrickson JK. Stochastic and deterministic assembly processes in subsurface microbial communities. ISME J. 2012;6(9):1653–64.

Gravel D, Canham CD, Beaudet M, Messier C. Reconciling niche and neutrality: the continuum hypothesis. Ecol Lett. 2006;9:399–409.

Zhang ZJ, Deng Y, Feng K, Cai WW, Li SZ, Yin HQ, et al. Deterministic assembly and diversity gradient altered the biofilm community performances of bioreactors. Environ Sci Technol. 2019;53(3):1315–24.

Gotelli NJ. Research frontiers in null model analysis. Glob Ecol Biogeogr. 2001;10(4):337–43.

Zhou JZ, Deng Y, Zhang P, Xue K, Liang YT, Van Nostrand JD, et al. Stochasticity, succession, and environmental perturbations in a fluidic ecosystem. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111(9):E836–E45.

Chase JM, Kraft NJB, Smith KG, Vellend M, Inouye BD. Using null models to disentangle variation in community dissimilarity from variation in alpha-diversity. Ecosphere. 2011;2:2.

Locey KJ, Lennon JT. Scaling laws predict global microbial diversity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016;113(21):5970–5.

McGill BJ, Etienne RS, Gray JS, Alonso D, Anderson MJ, Benecha HK, et al. Species abundance distributions: moving beyond single prediction theories to integration within an ecological framework. Ecol Lett. 2007;10(10):995–1015.

Macarthur RH. On the relative abundance of bird species. Proc Natl Acad Sci U S A. 1957;43(3):293–5.

Whittaker RH. Dominance and diversity in land plant communities. Science. 1965;147(3655):250–60.

Volkov I, Banavar JR, Hubbell SP, Maritan A. Neutral theory and relative species abundance in ecology. Nature. 2003;424(6952):1035–7.

Tang X, Xie G, Shao K, Dai J, Chen Y, Xu Q, et al. Bacterial community composition in oligosaline Lake Bosten: low overlap of Betaproteobacteria and Bacteroidetes with freshwater ecosystems. Microbes Environ. 2015;30(2):180–8.

Hu Y, Bai CR, Cai J, Dai JY, Shao KQ, Tang XM, et al. Co-occurrence network reveals the higher fragmentation of the bacterial community in river Kaidu than its tributaries in northwestern China. Microbes Environ. 2018;33(2):127–34.

Deng Y, Jiang YH, Yang YF, He ZL, Luo F, Zhou JZ. Molecular ecological network analyses. BMC Bioinformatics. 2012;13:113.

Faust K, Raes J. Microbial interactions: from networks to models. Nat Rev Microbiol. 2012;10(8):538–50.

Telesford QK, Joyce KE, Hayasaka S, Burdette JH, Laurienti PJ. The ubiquity of small-world networks. Brain Connect. 2011;1(5):367–75.

Hauptmann AL, Markussen TN, Stibal M, Olsen NS, Elberling B, Bælum J, et al. Upstream freshwater and terrestrial sources are differentially reflected in the bacterial community structure along a small Arctic river and its estuary. Front Microbiol. 2016;7:1474.

Niño-García JP, Ruiz-González C, del Giorgio PA. Interactions between hydrology and water chemistry shape bacterioplankton biogeography across boreal freshwater networks. ISME J. 2016;10:1755–66.

Ruiz-González C, Niño-García JP, Del Giorgio PA. Terrestrial origin of bacterial communities in complex boreal freshwater networks. Ecol Lett. 2015;18:1198–206.

Shao KQ, Bai CR, Cai J, Hu Y, Gong Y, Chao JY, et al. Illumina sequencing revealed soil microbial communities in a Chinese alpine grassland. Geomicrobiol J. 2019;36(3):204–11.

Freedman ZB, Zak DR. Atmospheric N deposition alters connectance, but not functional potential among saprotrophic bacterial communities. Mol Ecol. 2015;24(12):3170–80.

Freilich S, Kreimer A, Meilijson I, Gophna U, Sharan R, Ruppin E. The large-scale organization of the bacterial network of ecological co-occurrence interactions. Nucleic Acids Res. 2010;38(12):3857–68.

Peterson BJ, Wollheim WM, Mulholland PJ, Webster JR, Meyer JL, Tank JL, et al. Control of nitrogen export from watersheds by headwater streams. Science. 2001;292(5514):86–90.

Mulholland PJ, Helton AM, Poole GC, Hall RO, Hamilton SK, Peterson BJ, et al. Stream denitrification across biomes and its response to anthropogenic nitrate loading. Nature. 2008;452(7184):202–5.

Lozupone CA, Knight R. Global patterns in bacterial diversity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104(27):11436–40.

Logares R, Lindstrom ES, Langenheder S, Logue JB, Paterson H, Laybourn-Parry J, et al. Biogeography of bacterial communities exposed to progressive long-term environmental change. ISME J. 2013;7(5):937–48.

Logares R, Bråte J, Bertilsson S, Clasen JL, Shalchian-Tabrizi K, Rengefors K. Infrequent marine-freshwater transitions in the microbial world. Trends Microbiol. 2009;17(9):414–22.

Bergen B, Herlemann DPR, Labrenz M, Jürgens K. Distribution of the verrucomicrobial clade Spartobacteria along a salinity gradient in the Baltic Sea. Environ Microbiol Rep. 2014;6(6):625–30.

Herlemann DPR, Lundin D, Labrenz M, Jurgens K, Zheng ZL, Aspeborg H, et al. Metagenomic de novo assembly of an aquatic representative of the verrucomicrobial class Spartobacteria. Mbio. 2013;4(3):e00569–12.

Henson MW, Lanclos VC, Faircloth BC, Thrash JC. Cultivation and genomics of the first freshwater SAR11 (LD12) isolate. ISME J. 2018;12(7):1846–60.

Lindström ES, Forslund M, Algesten G, Bergström AK. External control of bacterial community structure in lakes. Limnol Oceanogr. 2006;51(1):339–42.

Jin XC, Tu QY. The standard methods for observation and analysis of lake eutrophication. 2nd ed. Beijing: China Environmental Science Press; 1990.

Comte J, Berga M, Severin I, Logue JB, Lindström ES. Contribution of different bacterial dispersal sources to lakes: population and community effects in different seasons. Environ Microbiol. 2017;19(6):2391–404.

Debroas D, Domaizon I, Humbert J-F, Jardillier L, Lepère C, Oudart A, et al. Overview of freshwater microbial eukaryotes diversity: a first analysis of publicly available metabarcoding data. FEMS Microbiol Ecol. 2017;93(4):fix023.

Dai LL, Gong YC, Li XM, Feng WS, Yu YH. Influence of environmental factors on zooplankton assemblages in Bosten Lake, a large oligosaline lake in arid northwestern China. ScienceAsia. 2014;40(1):1–10.

Jousset A, Bienhold C, Chatzinotas A, Gallien L, Gobet A, Kurm V, et al. Where less may be more: how the rare biosphere pulls ecosystems strings. ISME J. 2017;11(4):853–62.

Ugland KI, Lambshead FJD, McGill B, Gray JS, O'Dea N, Ladle RJ, et al. Modelling dimensionality in species abundance distributions: description and evaluation of the Gambin model. Evol Ecol Res. 2007;9(2):313–24.

Baldridge E, Harris DJ, Xiao X, White EP. An extensive comparison of species-abundance distribution models. PeerJ. 2016;4:e2823.

Wu AC, Deng XW, He HL, Ren XL, Jing YR, Xiang WH, et al. Responses of species abundance distribution patterns to spatial scaling in subtropical secondary forests. Ecol Evol. 2019;9(9):5338–47.

Fierer N, Lennon JT. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am J Bot. 2011;98(3):439–48.

Gao G, Tang X, Sai B. Eco-environmental evolution in Lake Bosten (in Chinese). Beijing: Science Press; 2013.

Bai J, Chen X, Li J, Yang L, Fang H. Changes in the area of inland lakes in arid regions of Central Asia during the past 30 years. Environ Monit Assess. 2011;178:247–56.

Tang X, Li H, Shao K, Feng Z, Hu X. Investigation and assessment of the ecological safety on arid cold alpine grasslands: a case study of the Bayinbuluke alpine grassland (in Chinese). Beijing: Science Press; 2018.

Gong Y, Tang X, Shao K, Hu Y, Gao G. Dynamics of bacterial abundance and the related environmental factors in large shallow eutrophic Lake Taihu. J Freshw Ecol. 2017;32(1):133–45.

Wang Y, Qian PY. Conservative fragments in bacterial 16S rRNA genes and primer design for 16S ribosomal DNA amplicons in metagenomic studies. PLoS One. 2009;4(10):e7401.

Bougouffa S, Yang JK, Lee OO, Wang Y, Batang Z, Al-Suwailem A, et al. Distinctive microbial community structure in highly stratified deep-sea brine water column. Appl Environ Microbiol. 2013;79(11):3425–37.

Magoč T, Salzberg SL. FLASH: fast length adjustment of short reads to improve genome assemblies. Bioinformatics. 2011;27(21):2957–63.

Martin M. Cutadapt removes adapter sequences from high-throughput sequencing reads. EMBnetJournal. 2011;17(1):10–2.

Edgar RC, Flyvbjerg H. Error filtering, pair assembly and error correction for next-generation sequencing reads. Bioinformatics. 2015;31(21):3476–82.

Nearing JT, Douglas GM, Comeau AM, Langille MGI. Denoising the Denoisers: an independent evaluation of microbiome sequence error-correction approaches. PeerJ. 2018;6:e5364.

Rognes T, Flouri T, Nichols B, Quince C, Mahe F. VSEARCH: a versatile open source tool for metagenomics. PeerJ. 2016;4:e2584.

Chao A. Nonparametric estimation of the number of classes in a population. Scand J Stat. 1984;11:265–70.

Faith DP. The role of the phylogenetic diversity measure, PD, in bio-informatics: getting the definition right. Evol Bioinforma. 2006;2:277–83.

Gotelli NJ, Colwell RK. Estimating species richness. In: Magurran AE, McGill BJ, editors. Biological diversity, Frontiers in measurement and assessment. New York: Oxford University Press; 2011. p. 39–54.

Louca S, Parfrey LW, Doebeli M. Decoupling function and taxonomy in the global ocean microbiome. Science. 2016;353(6305):1272–7.

Louca S, Jacques SMS, Pires APF, Leal JS, Srivastava DS, Parfrey LW, et al. High taxonomic variability despite stable functional structure across microbial communities. Nat Ecol Evol. 2016;1:0015.

Segata N, Izard J, Waldron L, Gevers D, Miropolsky L, Garrett WS, et al. Metagenomic biomarker discovery and explanation. Genome Biol. 2011;12(6):R60.

Parks DH, Tyson GW, Hugenholtz P, Beiko RG. STAMP: statistical analysis of taxonomic and functional profiles. Bioinformatics. 2014;30(21):3123–4.

Nekola JC, White PS. The distance decay of similarity in biogeography and ecology. J Biogeogr. 1999;26(4):867–78.

Borcard D, Legendre P. All-scale spatial analysis of ecological data by means of principal coordinates of neighbour matrices. Ecol Model. 2002;153(1–2):51–68.

Blanchet FG, Legendre P, Borcard D. Forward selection of explanatory variables. Ecology. 2008;89(9):2623–32.

Borcard D, Legendre P, Drapeau P. Partialling out the spatial component of ecological variation. Ecology. 1992;73(3):1045–55.

Oksanen J, Blanchet FG, Friendly M, Kindt R, Legendre P, McGlinn D, et al. vegan: Community Ecology Package. R package version 2.5–5. http://CRAN.R-project.org/package=vegan. 2019.

Borcard D, Gillet F, Legendre P. Numerical ecology with R. Second edition. New York: Springer; 2018.

Šmilauer P, Lepš J. Multivariate analysis of ecological data using Canoco 5. Second Edition. Cambridge, UK: Cambridge University Press; 2014.

Gotelli NJ, McCabe DJ. Species co-occurrence: a meta-analysis of J. M. Diamond's assembly rules model. Ecology. 2002;83(8):2091–6.

Clauset A, Newman MEJ, Moore C. Finding community structure in very large networks. Phys Rev E. 2004;70(6):066111.

Guimerà R, Amaral LAN. Functional cartography of complex metabolic networks. Nature. 2005;433(7028):895–900.

Bollobás B. The evolution of random graphs. Trans Am Math Soc. 1984;286(1):257–74.

Thông tin
Thông tin xuất bản

Environmental Microbiome

Thông tin tác giả