如何探究影响湖泊微生物群落结构季节性变化的因素？ | 微生物专题

发表时间：2021.9.11

发表期刊：Science of the Total Environment（IF 7.963）

关键词：基因测序，淡水湖，Alpha多样性，环境因素，季节变化，高山湖泊生态系统

研究对象：湖水

研究方法：16S测序

研究背景

微生物群落在淡水生态系统的水质调节和生物地球化学循环中起着重要作用。然而，对寒冷环境下湖水微生物季节变化的研究较少。本研究利用16S测序技术，对呼伦湖不同季节水体中的微生物群落及其影响因素进行了研究。

研究设计

为探索呼伦湖微生物群落，于2018年夏、冬两季在整个呼伦湖流域的22个采样点采集了43个样本（图1）。夏季和冬季样本分别命名为HL组和WHL组。使用16S测序对样本进行菌群多样性分析，并测定理化指标（如水温、pH、溶解氧等），最后探讨了细菌群落与环境因子的关系。

图1 采样地点

主要结果
1. 环境参数分析

在冬季和夏季分别测定呼伦湖的水温、pH值、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）。呼伦湖水总体呈弱碱性，且随季节变化明显。PCoA结果表明，PCoA1和PCoA2共同解释了环境因子变异的72.56%，且样本表现出显著的季节差异（图2A）。接着分析了呼伦湖夏季和冬季环境因子的相关性（图2B，C）。在夏季，电导率（EC）、磷（P）、COD与pH呈显著正相关。环境因子（pH、EC、P、COD）与温度呈显著负相关，说明呼伦湖的pH、EC、P、COD随水温的降低而升高。此外，DO与pH呈显著正相关（p<0.01）。

图2 呼伦湖环境因子的主坐标分析及相关分析

2. 微生物群落的alpha多样性

调查了呼伦湖夏季和冬季alpha多样性指数的分布。包括Sobs指数、Chao1指数、ACE指数、Shannon指数和Simpson指数在夏季和冬季表现出显著差异（图3A-E）。此外，基于聚集增强树（ABT）分析（图3F），温度是OTU（26.77%）、Sobs 指数（15.42%）和覆盖率（28.34%）的重要驱动因素；DO是Shannon指数（19.26%）、Chao1指数（19.64%）、ACE 指数（18.13%）和覆盖率（18.74%）的重要驱动因素。此外，P是调节Shannon指数（26.48%）和 Chao1 指数（43.25%）的重要因素。各因素之间的相关性如图3G所示。DO与Simpson指数、Chao1指数和ACE指数呈显著正相关。P、pH和温度与OTU和Goods_Coverage显著正相关。

图3 基于呼伦湖水样的alpha多样性、ABT及其相关性分析

3. 微生物群落组成

从呼伦湖采集的样本中，共鉴定出59门141纲201目350科668属。夏季样本鉴定出52门124纲174目304科540属；冬季样本鉴定出56门135纲188目321科561属（图4）。在夏季和冬季样本中，变形菌门是最丰富的菌门，分别占总数的32.09%和46.54%。夏季样本中最高丰度的前三个菌纲为：丙型变形菌纲、放线菌纲和β变形菌纲，冬季样本中为β变形菌纲、放线菌纲和黄杆菌纲。在科水平上，孢鱼菌科是最丰富的。同时，绿单胞菌科和黄杆菌科的丰度在冬季明显高于夏季。在属水平上，夏季样本中有9个属的丰度超过1%，其中假单胞菌的相对丰度最高，占所有样本的24.31%。此外，夏季丰度最高的菌属在冬季并不占优势。冬季有8个属的丰度超过1%，其中Albidiferax的相对丰度最高，为11.95%。

图4 呼伦湖水样微生物群落组成

4. 微生物群落的显著差异

为探索呼伦湖微生物群落结构的季节差异，采用NMDS分析了呼伦湖细菌群落结构（图5）。NMDS的结果表明，夏季和冬季的微生物群落在两个轴上都有很好的分离。此外，根据Adonis和Anosim的分析，呼伦湖水中微生物群落结构存在显著的季节差异。此外，利用LEfSe分析方法对呼伦湖夏季和冬季水体中微生物群落结构进行了评价。用线性判别分析（LDA>2）来鉴定不同的微生物（图6）。进而在夏季样本中鉴定出8个生物标志物，包括甲硫杆菌和黄杆菌，在冬季鉴定出10个生物标志物，包括黄杆菌、Terrimonas、Limnobacter和Pseudomonas resinovorans。

图5 NMDS分析和Anosim检验

图6 LEfSe分析

5. 微生物网络分析

通过OTU网络分析，探讨呼伦湖水生微生物群落响应环境因子变化的发生模式。网络分析显示441个正交互作用，占总交互作用的92.84%（图7A）。为研究呼伦湖不同季节细菌群落与环境因子的关系，对呼伦湖细菌群落与环境因子进行了相关性分析（图7B）。

图7 呼伦湖细菌modules与环境因子的网络关系及相关分析

6. 微生物功能预测

使用Tax4Fun对呼伦湖水体微生物群落功能进行了预测。与冬季相比，夏季有10项功能增强，包括信号转导、脂肪代谢、传染病、细胞活动、细胞生长和凋亡、环境适应、消化系统、神经退行性疾病、免疫疾病和心血管疾病，并有10项功能下降，包括氨基酸代谢、辅酶因子和维生素代谢、能量代谢、萜类和多酮代谢、其他氨基酸代谢、内分泌系统、癌症、免疫系统、排泄系统、信号分子和相互作用。通过PCoA和RDA分析了微生物的功能分布（图8）。

图8 PCoA和RDA分析群落功能

7. 微生物群落与环境因子的相关性

为研究环境因子对呼伦湖微生物群落结构的影响，在呼伦湖门水平上进行了相对丰度和环境因子的CCA分析（图9A）。夏季样本主要集中在象限2和象限3，冬季样本主要集中在象限1和象限3。在门水平上，夏季影响微生物群落分布的主要环境因子是温度和pH，冬季是DO。还在门水平上对微生物种群数量与环境因素进行了皮尔逊相关分析（图9B）。又利用Mantel test分析了环境因素与微生物群落结构之间的关系。结果表明，环境因子与微生物群落结构之间存在显著的相关性。此外，偏差分解分析表明，温度、pH和DO是贡献最大的三个环境因素。这些结果与网络分析、RDA、CCA和相关分析的结果一致。

图9 环境因素分析

主要结论

本研究测定了呼伦湖夏季和冬季细菌群落结构，探讨了环境因素对呼伦湖微生物群落组成和多样性的影响。结果表明，在季节性冰盖的呼伦湖生态系统中，受温度、pH和DO的影响，细菌存在复杂的年周期，alpha多样性具有明显的季节差异，冬季高于夏季。变形菌门、放线菌门和拟杆菌门是受季节影响最大的菌门。此外，还进行了物种差异分析，分别在夏季和冬季鉴定出了8个和10个生物标志物。CCA分析表明，温度、pH和DO是影响呼伦湖物种分布的环境因子，这与网络图和环境贡献分析的结果是一致的。

参考文献：

Shang Y, Wu X, Wang X, et al. Factors affecting seasonal variation of microbial community structure in Hulun Lake, China. Sci Total Environ. 2022 Jan 20;805:150294.

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