Quy trình lắp ráp ngẫu nhiên và xác định trong các cộng đồng vi sinh vật dưới bề mặt

ISME Journal - Tập 6 Số 9 - Trang 1653-1664 - 2012
James Stegen1, Xueju Lin2,3, Allan Konopka3, James K. Fredrickson3
1Fundamental and Computational Sciences Directorate, Biological Sciences Division, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, WA 99352, USA.
22Current address: School of Biology, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA.,
3Fundamental and Computational Sciences Directorate, Biological Sciences Division, Pacific Northwest National Laboratory , Richland, WA , USA

Tóm tắt

Mục tiêu chính của sinh thái học cộng đồng vi sinh vật là hiểu các lực lượng cấu thành nên thành phần cộng đồng. Lựa chọn xác định bởi các yếu tố môi trường cụ thể đôi khi quan trọng, nhưng trong những trường hợp khác, các quy trình ngẫu nhiên hoặc trung tính sinh thái chiếm ưu thế. Thiếu một khuôn khổ khái niệm thống nhất nhằm hiểu tại sao các quy trình xác định chiếm ưu thế trong một số bối cảnh nhưng không phải trong những bối cảnh khác. Ở đây, chúng tôi làm việc hướng tới một khuôn khổ như vậy. Bằng cách thử nghiệm các dự đoán được đưa ra từ lý thuyết sinh thái tổng quát, chúng tôi nhằm khám phá các yếu tố điều khiển ảnh hưởng tương đối của các quy trình xác định và ngẫu nhiên. Chúng tôi kết hợp dữ liệu không gian-thời gian về các cộng đồng vi sinh vật dưới bề mặt và các tham số môi trường với các chỉ số và mô hình giả định về thành phần phát sinh loài trong và giữa các cộng đồng. Thử nghiệm tín hiệu phát sinh loài trong các ngách sinh vật cho thấy các taxa có họ hàng gần gũi hơn có các liên kết với môi trường sống tương tự hơn. Phân tích phát sinh loài cộng đồng cho thấy các taxa sinh thái tương tự cùng tồn tại nhiều hơn mức dự kiến do ngẫu nhiên. Lọc môi trường do đó điều khiển một cách xác định thành phần cộng đồng vi sinh vật dưới bề mặt. Quan trọng hơn, sự ảnh hưởng của lọc môi trường xác định tương đối với các yếu tố ngẫu nhiên đạt tối đa ở cả hai đầu của một gradient biến thiên môi trường. Tuy nhiên, vai trò mạnh mẽ của các yếu tố ngẫu nhiên được hỗ trợ qua các phân tích lật đổ phát sinh loài theo thời gian. Mặc dù mức độ lật đổ phát sinh loài trung bình nhanh hơn mức dự kiến, hầu hết các so sánh cặp đều không có sự ngẫu nhiên đáng kể. Sự ảnh hưởng tương đối của lọc môi trường xác định đối với động lực cộng đồng đã tăng lên; tuy nhiên, trong các môi trường có biến thiên về thời gian và không gian cao nhất. Kết quả của chúng tôi chỉ ra các quy tắc chung điều khiển ảnh hưởng tương đối của các quy trình ngẫu nhiên và xác định trên các sinh vật vi mô và vĩ mô.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Amaral-Zettler, 2011, Microbial community structure across the tree of life in the extreme Rio Tinto, ISME J, 5, 42, 10.1038/ismej.2010.101

Andersson, 2010, Pyrosequencing reveals contrasting seasonal dynamics of taxa within Baltic Sea bacterioplankton communities, ISME J, 4, 171, 10.1038/ismej.2009.108

Bjornstad, 2009, Borehole Completion and Conceptual Hydrogeologic Model for the IFRC Well Field, 300 Area, Hanford Site, 10.2172/974984

Bork, 2009, Quantifying environmental adaptation of metabolic pathways in metagenomics, Proc Natl Acad Sci USA, 106, 1374, 10.1073/pnas.0808022106

Bryant, 2008, Microbes on mountainsides: contrasting elevational patterns of bacterial and plant diversity, Proc Natl Acad Sci USA, 105, 11505, 10.1073/pnas.0801920105

Caporaso, 2010, QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data, Nat Methods, 7, 335, 10.1038/nmeth.f.303

Caruso, 2011, Stochastic and deterministic processes interact in the assembly of desert microbial communities on a global scale, ISME J, 5, 1406, 10.1038/ismej.2011.21

Chase, 2007, Drought mediates the importance of stochastic community assembly, Proc Natl Acad Sci, 104, 17430, 10.1073/pnas.0704350104

Chase, 2010, Stochastic community assembly causes higher biodiversity in more productive environments, Science, 328, 1388, 10.1126/science.1187820

Chase, 2009, Predators temper the relative importance of stochastic processes in the assembly of prey metacommunities, Ecol Lett, 12, 1210, 10.1111/j.1461-0248.2009.01362.x

Chase, 2011, Using null models to disentangle variation in community dissimilarity from variation in α-diversity, Ecosphere, 2, Art24, 10.1890/ES10-00117.1

Chase, 2011, Disentangling the importance of ecological niches from stochastic processes across scales, Philos Trans R Soc B: Biol Sci, 366, 2351, 10.1098/rstb.2011.0063

Chesson, 2000, Mechanisms of maintenance of species diversity, Annu Rev Ecol Syst, 31, 343, 10.1146/annurev.ecolsys.31.1.343

Clements, 1916, Plant Succession

Cohan, 2008, The origins of ecological diversity in prokaryotes, Curr Biol, 18, R1024, 10.1016/j.cub.2008.09.014

Costello, 2009, Fumarole-supported Islands of biodiversity within a hyperarid, high-elevation landscape on Socompa Volcano, Puna de Atacama, Andes, Appl Environ Microb, 75, 735, 10.1128/AEM.01469-08

Diamond, 1975, Ecol Evol Communities

Diniz-Filho, 2010, Hidden patterns of phylogenetic non-stationarity overwhelm comparative analyses of niche conservatism and divergence, Global Ecol Biogeogr, 19, 916, 10.1111/j.1466-8238.2010.00562.x

Doolittle, 1999, Lateral genomics, Trends Biochem Sci, 24, M5, 10.1016/S0968-0004(99)01471-1

Doolittle, 1999, Phylogenetic classification and the universal tree, Science, 284, 2124, 10.1126/science.284.5423.2124

Dumbrell, 2010, Relative roles of niche and neutral processes in structuring a soil microbial community, ISME J, 4, 337, 10.1038/ismej.2009.122

Fierer, 2007, Toward an ecological classification of soil bacteria, Ecology, 88, 1354, 10.1890/05-1839

Fierer, 2008, The influence of sex, handedness, and washing on the diversity of hand surface bacteria, Proc Natl Acad Sci USA, 105, 17994, 10.1073/pnas.0807920105

Fine, 2011, Phylogenetic community structure and phylogenetic turnover across space and edaphic gradients in western Amazonian tree communities, Ecography, 34, 552, 10.1111/j.1600-0587.2010.06548.x

Fuhrman, 2006, Annually reoccurring bacterial communities are predictable from ocean conditions, Proc Natl Acad Sci USA, 103, 13104, 10.1073/pnas.0602399103

Gerisch, 2011, More species, but all do the same: contrasting effects of flood disturbance on ground beetle functional and species diversity, Oikos, 121, 508, 10.1111/j.1600-0706.2011.19749.x

Gilbert, 2012, Defining seasonal marine microbial community dynamics, ISME J, 6, 298, 10.1038/ismej.2011.107

Gleason, 1927, Further views on the succession concept, Ecology, 8, 299, 10.2307/1929332

Graham, 2008, Phylogenetic beta diversity: linking ecological and evolutionary processes across space in time, Ecol Lett, 11, 1265, 10.1111/j.1461-0248.2008.01256.x

Haldane, 1932, The Causes of Evolution

Herrera, 2010, Inhospitable sweetness: nectar filtering of pollinator-borne inocula leads to impoverished, phylogenetically clustered yeast communities, Proc R Soc B-Biol Sci, 277, 747, 10.1098/rspb.2009.1485

Horner-Devine, 2006, Phylogenetic clustering and overdispersion in bacterial communities, Ecology, 87, 100, 10.1890/0012-9658(2006)87[100:PCAOIB]2.0.CO;2

Hubbell, 2001, The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography

Jones, 2010, Ecological and evolutionary factors underlying global and local assembly of denitrifier communities, ISME J, 4, 633, 10.1038/ismej.2009.152

Kembel, 2009, Disentangling niche and neutral influences on community assembly: assessing the performance of community phylogenetic structure tests, Ecol Lett, 12, 949, 10.1111/j.1461-0248.2009.01354.x

Kembel, 2011, The phylogenetic diversity of metagenomes, Plos One, 6, e23214, 10.1371/journal.pone.0023214

Knight, 2005, UniFrac: a new phylogenetic method for comparing microbial communities, Appl Environ Microb, 71, 8228, 10.1128/AEM.71.12.8228-8235.2005

Kraft, 2007, Trait evolution, community assembly, and the phylogenetic structure of ecological communities, Am Nat, 170, 271, 10.1086/519400

Langenheder, 2011, Species sorting and neutral processes are both important during the initial assembly of bacterial communities, ISME J, 5, 1086, 10.1038/ismej.2010.207

Losos, 2008, Phylogenetic niche conservatism, phylogenetic signal and the relationship between phylogenetic relatedness and ecological similarity among species, Ecol Lett, 11, 995, 10.1111/j.1461-0248.2008.01229.x

Myers, 2009, Local immigration, competition from dominant guilds, and the ecological assembly of high-diversity pine savannas, Ecology, 90, 2745, 10.1890/08-1953.1

Myers, 2010, Seed arrival and ecological filters interact to assemble high-diversity plant communities, Ecology, 92, 676, 10.1890/10-1001.1

Ofiteru, 2010, Combined niche and neutral effects in a microbial wastewater treatment community, Proc Natl Acad Sci USA, 107, 15345, 10.1073/pnas.1000604107

Pei, 2011, Exploring tree-habitat associations in a chinese subtropical forest plot using a molecular phylogeny generated from DNA Barcode Loci, Plos One, 6, e21273, 10.1371/journal.pone.0021273

Philippot, 2010, The ecological coherence of high bacterial taxonomic ranks, Nat Rev Micro, 8, 523, 10.1038/nrmicro2367

Schwarz, 1978, Estimating the dimension of a model, Annals Stat, 6, 461, 10.1214/aos/1176344136

Sun, 2006, Local similarity analysis reveals unique associations among marine bacterioplankton species and environmental factors, Bioinformatics, 22, 2532, 10.1093/bioinformatics/btl503

Vamosi, 2009, Emerging patterns in the comparative analysis of phylogenetic community structure, Mol Ecol, 18, 572, 10.1111/j.1365-294X.2008.04001.x

Vellend, 2010, Conceptual synthesis in community ecology, Q Rev Biol, 85, 183, 10.1086/652373

Vermeul, 2011, River-induced flow dynamics in long-screen wells and impact on aqueous samples, Ground Water, 49, 515, 10.1111/j.1745-6584.2010.00769.x

Webb, 2000, Exploring the phylogenetic structure of ecological communities: An example for rain forest trees, Am Nat, 156, 145, 10.1086/303378

Webb, 2002, Phylogenies and community ecology, Annu Rev Ecol Syst, 33, 475, 10.1146/annurev.ecolsys.33.010802.150448

Weiher, 2011, Advances, challenges and a developing synthesis of ecological community assembly theory, Philos Trans R Soc B: Biol Sci, 366, 2403, 10.1098/rstb.2011.0056

Weiher, 1995, Assembly rules, null models, and trait dispersion: New questions from old patterns, Oikos, 74, 159, 10.2307/3545686

Welch, 2002, Extensive mosaic structure revealed by the complete genome sequence of uropathogenic Escherichia coli, Proc Natl Acad Sci USA, 99, 17020, 10.1073/pnas.252529799

Wiedenbeck, 2011, Origins of bacterial diversity through horizontal genetic transfer and adaptation to new ecological niches, FEMS Microbiol Rev, 35, 957, 10.1111/j.1574-6976.2011.00292.x

Zinger, 2011, Global patterns of bacterial beta-diversity in seafloor and seawater ecosystems, Plos One, 6, e24570, 10.1371/journal.pone.0024570

Thông tin
Thông tin xuất bản

ISME Journal

Tập 6 Số 9

1653-1664

Thông tin tác giả