科研 | 福州大学:人为活动改变了微生物群落分类组成和功能属性之间的关系(国人佳作)

2021
11/19

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微生态
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人为活动改变了微生物群落分类组成和功能属性之间的关系

编译:微科盟小雨,编辑:微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

功能冗余在微生物系统中被认为是常见的,但最近的研究对这一观点提出了挑战。造成这一矛盾结果的机制尚不清楚。然而,在本研究中,我们假设与人为活动相关的强环境作用能够削弱微生物的功能冗余。本研究使用宏基因组和16S rRNA基因高通量测序来研究亚热带河流中的浮游微生物群落。我们发现,较弱的人为活动可能导致河流上游地区的选择压力较低。因此,尽管群落组成随上游区域水温和NO3-N的变化而变化,但微生物群落的功能属性是稳定的(这表明功能冗余)。然而,河流下游地区强烈的人为活动影响了污染物降解功能(例如氮代谢、甲苯、二甲苯和乙苯降解)和潜在的污染物降解(耐受)微生物,从而导致微生物群落组成随群落功能属性的变化而同步变化。我们的结果表明,与人为活动相关的强环境作用不仅对微生物群落组成和群落功能属性有影响,而且影响它们之间的关系。这些结果为完善功能冗余思想提供了新的见解。

论文ID

名:Anthropogenic activities change the relationship between microbial community taxonomic composition and functional attributes

人为活动改变了微生物群落分类组成和功能属性之间的关系

期刊Environmental Microbiology

IF:5.491

发表时间:2021.8.4

通讯作者:刘乐冕

通讯作者单位:福州大学福建省海产品废弃物综合利用工程技术研究中心

DOI号:10.1111/1462-2920.15702

实验设计

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图1. 溪源江沿线两条河流中六个采样点的位置图。    

结果

1. 人为活动(营养)干扰及其与降水的关系

总体而言,河段2(样点5、6、7)的平均营养盐浓度(TN、NH4-N、NO3-N、TP和PO4-P)和叶绿素a高于河段1(样点1、2、3)(图2和S2)。 河段2营养盐和叶绿素a有较强的季节变化 。河段2的TN、TP、NH4-N、PO4-P和叶绿素a的平均浓度在10月-1月期间较高(最高浓度出现在12月或1月)。然而,河段2的TN、TP、NH4-N、PO4-P和叶绿素a的平均浓度在6月-9月较低(6月观察到最低浓度)(图2和S2)。Pearson’s相关性表明,TN、TP、NH4-N、PO4-P和叶绿素a表现出共线性(表S1)。NO3-N的平均浓度远低于河段2中的NH4-N和TN。在河段2中,NO3-N的最高浓度出现在10月,最低浓度出现在11月(图S2)。最高水温出现在8月(31.5℃),最低水温出现在1月(12.5℃)(图S3)。 6月降雨量最高(327.4 mm),1月降雨量最低(5.3 mm)(图S3)。Spearman’s相关分析表明,河段2中降水与营养盐浓度的相关性强于河段1(图S4)。河段2中NH4-N(r = -0.699,P<0.01)、TN(r = -0.638,P<0.01)和PO4-P(r = -0.467,P<0.05)与降水量呈显著相关(负),而在河段1中只有NO3-N(0.461,P<0.05)和TP(0.459,P<0.05)与降水量呈显著相关性。  

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图2. 溪源江1、2河段(n=3)TN、TP、NH4-N、PO4-P的时间变化。箱中的线表示中位数;箱的顶部和底部表示最大值和最小值。

2. 微生物群落组成格局与群落功能属性

微生物群落组成表现出明显的时空变化(图3A)。河段1与河段2的微生物群落组成存在显著差异(ANOSIM: Global R=0.383,P=0.003;PERMANOVA: F=3.13,P=0.001,图3A)。且根据季节变化,河段1和河段2的微生物群落组成均分为三组(第1组:10月;第2组:1月;第3组:6月;ANOSIM:河段1 Global R=0.827,P=0.004,河段2 Global R=1,P=0.004;PERMANOVA:河段1 F=4.02,P=0.001,河段2 F=5.73,P=0.005)。 溪源江中微生物群落功能属性的空间变异与群落组成相似。河段1与河段2的群落功能属性存在显著差异(ANOSIM: Global R=0.447,P=0.004;PERMANOVA: F=5.23,P=0.001,图3B)。然而,河段1的群落功能属性的季节变化较低(ANOSIM:Global R=0.320,P=0.082;PERMANOVA: F=2.16,P=0.067,图3B)。  

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图3. 溪源江微生物群落组成 (A) 和群落功能属性 (KO) (B) 时空变化的非度量多维尺度 (NMDS) 排序。 此外,我们发现河段1和河段2的微生物群落组成都表现出相似且强烈的季节变化—1月至6月群落组成的平均Bray–Curtis相异度显著大于10月至1月(图4A)。有趣的是,河段2的微生物群落功能属性也显示了这种强烈的季节性模式(图4B)。然而,河段1中1月至6月群落功能属性的平均Bray–Curtis相异度与10月至1月的相似,并且河段1中不同月份的群落功能属性平均差异度显著低于河段2(图4B)。这表明河段1中群落功能属性呈季节性稳定。

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 图4. 10月至1月和1月至6月期间,河段1和河段2的微生物群落组成(A)和群落功能属性(B)的Bray–Curtis差异度【不同大写字母表示河段1存在显著差异(P<0.05);不同小写字母表示河段2存在显著差异(P<0.05);虚线表示河段1和河段2之间的差异。独立t检验】。

3. 河段1功能冗余较强,河段2较弱

结果表明,河段1中 (线性回归:R2=0.562,P=0.000;Mantel检验:r=0.693,P=0.001) (图5A) 微生物群落组成与群落功能属性之间的相关性弱于河段2 (R2 = 0.650,P = 0.000;Mantel检验:r = 0.784,P = 0.001) (图5B)。分类丰富度和功能丰富度也有相似的趋势 (河段1:R2 = -0.064,P = 0.475;河段2:R2 = 0.371,P = 0.064) (图5C和D)。这表明河段1的功能冗余比河段2强。

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图5. 河段1 (A) 和河段2 (B) 微生物群落功能属性 (KO) 差异与群落组成的线性关系。河段1 (C) 和河段2 (D) 功能丰富度 (KO) 与分类丰富度 (D) 之间的线性关系。

4. 微生物群落与环境因子的相关性

BIO-ENV表明,无论是微生物群落组成还是群落功能属性,环境因子在河段2中的作用都大于河段1。此外,环境因子与河段1和河段2的微生物群落组成表现出较强的相关性。同样,环境因子与河段2的微生物群落功能属性表现出较强的相关性。但是,环境因子与河段1的微生物群落功能属性相关性较弱(表1)。 与河段1微生物群落组成和功能属性最匹配的单一环境因子是水温、NO3-N和TP 。同样,与河段2的微生物群落组成和功能属性最匹配的单一环境因子是TN、NH4-N和水温。环境变量矩阵(水温、NO3-N和TP)最好地解释了河段1的群落组成(r = 0.676)。NH4-N和水温构成的组合与河段2的群落组成具有最高的等级相关值(r = 0.781)。NO3-N和PO4-P矩阵与河段1的群落功能属性的等级相关值最高(r = 0.472)。TN、NO3-N和水温矩阵最好地解释了河段2的群落功能属性(r = 0.975)(表1)。 RDA排序结果显示,由于营养盐浓度(TN、TP、NH4-N和PO4-P)不同,河段1和河段2的微生物群落组成和群落功能属性表现出显著差异。此外,河段2的营养盐浓度(TN、TP、NH4-N和PO4-P)和水温与微生物群落组成和群落功能属性的季节变化密切相关。同样,水温和NO3-N与河段1中微生物群落组成的季节变化密切相关。然而,环境因子与河段1中微生物群落功能属性的季节变化表现出较弱或不规则的相关性(例如:6月份位于RDA排序的右上角,表明水温较低(图S5)。   表1. 河段1和河段2微生物群落组成和群落功能属性 (KO) 的Bio-ENV结果 (Temp - 水温;TN - 总氮,TP - 总磷)。  

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5. 形成微生物群落动态的生态过程

本研究基于Stegen等人(2013)的零模型,结果表明确定性过程(同质选择和变量选择)的相对贡献在河段2(39.29%)高于河段1(14.29%)(图6)。相应地,随机过程(扩散限制和均质化扩散)的相对贡献在河段2(39.29%)低于河段1(60.71%)。扩散限制(50.00%)是形成河段1微生物群落的主要过程,其次是变量选择(14.29%)和均质化扩散(10.71%)。扩散限制(39.29%)和同质选择(28.57%)是形成河段2微生物群落的主要过程,其次是变量选择(10.71%)(图6)。  

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图6. 溪源江微生物群落更替的生态过程研究总结。 百分比是每个过程对群落更替的相对贡献。

6. 潜在的污染物降解功能

我们发现,河段2的微生物群落组成和功能属性的季节变化在1月至6月最强。同样,营养盐的季节变化在这一时期也是最强烈的。因此,我们比较了河流段2中1月和6月之间KEGG途径(3级)的基因丰度差异。 我们发现,与6月份相比,河段2中37条KEGG通路(3级)的功能基因相对丰度在1月显著增加(t检验,P<0.05)(图7A;表S2)。这些基因占河段21月份总功能基因的7.34%。在这些上调基因中,37.3%的基因具有污染物降解和氮代谢功能,其中氮代谢途径基因丰度最高(占1月份河段2的总功能基因丰度的1.06%和上调基因的14.38%)(图7A和B)。   86221637278039210 图7. 功能过程(KEGG通路3级),1月份河段2的基因丰度显著上调(与6月份河段2相比)(t检验,P<0.05)(A)。根据1月份河段2的基因丰度,上调污染物降解过程在总上调过程中的比例(与6月份河段2相比)(B)。*或PDP-污染物降解过程;OP-其他上调过程。

7. 潜在污染物降解(耐受)和污染敏感微生物

我们发现22个微生物ASVs,它们与河段2中的营养盐浓度呈显著正相关(河段2中的总相对丰度为17.29%)。这些ASVs在12月和1月有相对较高的丰度,但在河段2从6月到9月恢复到较低的丰度(如图8A)。此外,我们还发现了72个微生物ASVs,它们与河段2的营养盐浓度呈显著负相关(12.08%)。这些ASVs在12月和1月的丰度相对较低,但在河段2从6月到9月恢复到较高的丰度(如图8B)。 大多数营养与ASVs呈正相关的都隶属于12 up(占河段2总相对丰度的16.54%)(图8A)。大部分营养与ASVs呈负相关的都隶属于Ottowia(2.37%)、甲基孢囊菌属Methylocystis(1.19%)、CL500-29 marine group(1.02%)、Limnohabitans(0.79%)和hgcI_clade(0.68%)(图8B)。  

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图8. 河段2中与最丰富营养物质呈正相关的微生物ASVs相对丰度的时间变化(A)与营养物质呈负相关的微生物ASVs(B)。

讨论

我们的研究结果表明,河段1的营养盐浓度持续较低,这与其较低的人为影响相符。相反,由于人为活动强烈,河段2的营养盐浓度较高。河段2的集水区有十几所大学校园和许多农村、城市居民区。虽然7号场地附近有一个污水处理厂,但缺乏足够的污水管网。因此,居民、牲畜、农业和周边服务业的一部分废水和垃圾直接排入河流。此外,第2河段的营养盐浓度表现出强烈的季节变化。第2河段的营养盐浓度在10月至1月(尤其是12月和1月)较高,但在6月至9月较低(图2)。在研究期间,溪源江流域的降水集中在6月和7月,但12月和1月降水稀少(图S3)。低降雨量可能会集中营养物质,但高降雨量可能会稀释河段2的营养物质。事实上,在这项研究中,我们发现,在河段2中降水量与TN、NH4-N和PO4-P具有显著的负相关(图S4)。先前的研究支持这种关系,并发现在人类活动频繁的河流中,降水量和营养物浓度之间存在类似的趋势。然而,与河段2相比,河段1的降水量与营养盐的相关性相对较弱。这可能因为河段1的背景营养盐浓度较低,因此降雨对营养盐浓度的稀释和浓缩作用较小。此外,由于水温较高,6月至9月期间的微生物活性较高,可能会促进微生物对污染物的降解速率。最后,在大学暑假期间收集了7月和8月的样本。大学生人数的减少可能会导致来自大学校园和周边服务业的污水和垃圾的减少。

我们提出的假设是,河段2强烈的人为活动可以削弱微生物的功能冗余。在此,我们的结果与这一假设一致—我们发现河段2的微生物群落组成与群落功能属性之间的相关性强于河段1(图5A和B)。分类丰富度和功能丰富度之间的相关性也显示出相似的趋势(图5C和D)。产生这一结果的原因可能是河流2中与人为活动相关的强环境作用选择了污染物降解的功能和潜在的污染物降解(耐受)微生物,从而导致微生物群落组成随着功能属性的变化而同步变化。事实上,我们发现,在河段2中,微生物群落组成和功能属性都表现出强烈且相似的季节变化(图3和图4)。在河段2中,环境因素(尤其是营养素)对这些季节变化有强烈的影响(表1;图S5)。相反,由于河段1中相对较弱的环境作用(人为活动),微生物功能属性是季节性稳定的(可能是为了维持稳定的生态系统功能),尽管群落组成显示出明显的季节变化(图3和图4)。事实上,与河段2相比,环境因子对河段1的微生物群落组成和功能属性的影响相对较弱(表1)。生态过程分析也支持这一结果,并表明与河段1相比,河段2的微生物群落受到更强的确定性选择的影响(图6)。先前的研究发现,严格的环境作用(如土壤高pH值、高钠浓度、人为干扰等)增加了确定性选择对微生物群落的影响。这些结果与我们的结果一致,并表明河段2的强人为活动可能选择了污染降解或耐受微生物。

此外,我们发现与6月份相比,1月份河段2中 37条通路中的功能基因丰度显著增加(图7A)。在这些上调通路中,34.7%(基因丰度)具有污染物降解和氮代谢功能(图7A和B)。例如,在河段2中1月份甲苯、二甲苯和乙苯降解通路的基因丰度显著增加。有趣的是,河段2中1月份的细菌12up的丰度显著增加,并在细菌群落中占主导地位(图8A)。12up隶属于Rhodocyclaceae科。先前的研究发现,Rhodocyclaceae科能够降解地下水生态系统中的苯系化合物(苯、甲苯、二甲苯和乙苯)。此外,在河段2的 1月份上调通路中,超过82%氮代谢途径基因(基因丰度)是编码硝酸还原酶的narG、narH和narl基因。然而,据报道,河段2中1月份的优势菌属12 up(Rhodocyclaceae科)是负责废水处理活性污泥系统中反硝化和除磷的核心菌群。此外,我们发现,河段2中1月份的牻牛儿醇、d-柠檬烯和蒎烯降解通路的基因丰度显著增加。之前的一项研究表明,牻牛儿醇是石油污染物之一。d-柠檬烯和蒎烯是萜类污染物,通常存在于渗滤液中。相比之下,由于河段2在6月至9月期间营养物浓度降低,潜在污染敏感细菌类群的丰度增加。例如,与营养负相关的微生物ASVs属于Ottowia、Methylocystis、CL500-29 marine group、Limnohabitans和hgcI_clade。这些属在6月至9月期间丰度较高,但在河段2的10月至1月期间较低(图8B)。hgcI_clade、Limnohabitans和CL500-29 marine group常被确定为淡水生态系统中的优势类群,并被认为在寡营养淡水中比其他细菌具有竞争优势。另,据报道,Ottowia属为硫化物氧化自养反硝化细菌。Methylocystis属是专性嗜甲烷细菌,仅利用甲烷和甲醇作为唯一的碳源和能源。

结论

在这项研究中,我们发现与人类活动相关的环境作用在改变溪源江微生物功能冗余程度方面发挥了重要作用。这可能是由于1号河段的低环境压力(低人为活动)导致了微生物群落的稳定功能属性,尽管群落组成随水温和NO3-N(功能冗余)的变化而发生季节性变化。相反,2号河段中强烈的人为活动干扰使污染物降解的功能属性和潜在污染物降解的微生物数量同步增加,从而破坏了微生物群落功能属性的稳定性,因此,群落组成与功能属性之间存在着较强的相关性。生态群落中的功能冗余是在环境干扰导致当地物种灭绝的情况下维持生态系统过程的一种保障。随着人类活动对水生生态系统造成的环境压力越来越大,需要迫切了解微生物宏基因组功能及其与群落组成的关系,以应对与人类活动和全球变化相关的未来突发事件。


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关键词:
河段,微生物,群落,研究,功能属性

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