《Molecular Ecology》：Ecological Processes Shaping Marine Microbial Assemblages Diverge Between Equatorial and Temperate Time-Series
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本文对比研究了赤道大西洋（EAMO）和地中海温带（BBMO）两个海岸带时间序列观测站的微生物群落，揭示了纬度梯度下海洋微生物（原核生物和真核生物）群落构建过程的根本差异。研究发现，温带群落受环境选择（如温度、昼长）主导，表现出强烈的季节性周转和更高的β多样性；而赤道群落则更为稳定，由生物因素和随机过程（如历史偶然性、生态漂变）主导。该研究强调了将低纬度观测站纳入全球微生物监测网络的重要性，为预测气候变化下海洋微生物群落的响应提供了新见解。
1 引言
海洋微生物群落是地球生物多样性的重要组成部分，其相互作用对生态系统功能和生物地球化学循环至关重要。理解驱动微生物动态的因素和机制，对于预测环境变化如何影响其群落组成、相互作用和功能具有重要意义。全球海洋学考察揭示了微生物多样性的大尺度空间格局及其生态关联。然而，这些以空间代替时间的研究缺乏时间维度，而时间维度对于全面理解微生物多样性模式及其背后的塑造机制至关重要。
大多数长期微生物观测站集中在北半球中纬度地区（约22°至50°），并且常常缺乏方法标准化，限制了它们之间的比较。与此同时，世界海洋大部分表面处于温暖的寡营养热带条件下，其初级生产通常由微微型浮游生物（< 2 μm）主导。在此背景下，使用标准化方法评估低纬度地区微生物多样性和关联的综合比较研究仍然很少，特别是对于南大西洋等研究不足的区域。
利用生态模型理解塑造微生物群落的生态过程（选择、扩散和漂变）的努力已经为研究铺平了道路。我们已经了解到，原核生物群落结构相对更好地由环境选择而非扩散或漂变解释，而单细胞真核生物的群落则更多地由后两个因素决定。然而，尽管生物相互作用是生态学理论中确定性过程的基本组成部分，这些生态模型很少将其考虑在内。作为替代方案，共现网络拓扑指标已被用于捕捉浮游生物群落的生态特征。
本研究比较了来自两个对比纬度海岸带时间序列观测站的微生物群落的组成、稳定性和多样性，旨在比较两个站点之间的生态过程、环境驱动因素和微生物共现网络指标。我们确定了在每個时间序列中，随时间构建自由生活（0.22–3 μm）和颗粒附着（> 3 μm）原核生物以及小型（< 3 μm）和大型（> 3 μm）原生生物的生态过程（确定性选择 vs. 随机历史偶然性和漂变）。热带区域随时间变化在昼长和温度上变化有限，可能代表了一种弱非生物选择的情况，而在温带区域，非生物选择预计会随季节变化。因此，与温带区域相比，热带微生物群落随时间推移应更加稳定，而历史和类似漂变的随机过程可能成为构建这些群落的主要驱动因素。
2 材料与方法
2.1 研究地点与采样设计
地表海水样本于2013年4月至2016年8月期间每月从两个海岸带海洋观测站采集：位于大西洋西海岸的赤道大西洋微生物观测站（EAMO，6° S）和位于西北地中海的Blanes湾微生物观测站（BBMO，42° N）。BBMO是一个经过充分研究的温带寡营养海岸站点，受河流或人类影响较小，而EAMO是一个新建立的位于巴西海岸线附近的热带寡营养站点。
2.2 分析方法
测量了水透明度、水温、盐度、原位叶绿素a浓度、溶解无机营养盐浓度。使用流式细胞术计数细菌丰度和微微型浮游生物。采用[3H]-亮氨酸掺入法测量细菌生产力。
2.3 DNA提取、测序与生物信息学分析
使用酚-氯仿协议提取DNA。使用针对原核生物16S rRNA基因V4-V5区域和真核生物18S rRNA基因V4区域的引物进行PCR扩增。在Illumina MiSeq平台上进行测序。使用DADA2处理原始读数以确定扩增子序列变体（ASV）。使用SILVA数据库和PR2数据库分别对原核生物和真核生物ASV进行分类学鉴定。
2.4 一般统计分析
使用R软件和vegan包进行数据处理和统计分析。计算Bray-Curtis相异度，进行非度量多维尺度标度（NMDS）绘图和置换多元方差分析（PERMANOVA）。
2.5 定义常见和指示ASV
使用Venn图查找共享和独特ASV。进行指示物种分析以识别与特定站点/粒径级配强烈相关的ASV。
2.6 确定季节性ASV
使用Lomb Scargle周期图（LSP）评估ASV中周期性模式的存在，以检测季节性ASV。
2.7 生态过程计算
使用零模型方法估计塑造微生物群落的生态过程的相对重要性。计算β-最近分类单元指数（βNTI）和基于Bray-Curtis的Raup-Crick metric（RCbray）来推断选择、历史偶然性、非选择性低周转和生态漂变的相对贡献。
2.8 网络构建
为每个观测站（BBMO和EAMO）构建了一个全局微生物关联网络。使用FlashWeave构建网络，并过滤环境驱动的边。从每个静态网络近似得到月度时间序列子网络。
2.9 网络分析
计算全局和月度子网络的网络拓扑指标，包括边密度、平均路径长度、传递性、平均度和基于节点度、域（原核生物 vs. 原生生物）和粒径级配的同类性。计算网络指标与环境数据之间的Spearman相关性。
3 结果
3.1 赤道微生物群落比温带观测站表现出更低的周转率
α多样性分析显示，热带站点的原核生物多样性显著低于温带站点。相反，小型原生生物的多样性在EAMO高于BBMO。温带站点在α多样性上表现出明显的季节性变化，而赤道站点则没有显著季节性波动。β多样性分析显示，站点是解释微生物群落组成变异的最重要因素。赤道站点在两个域和粒径级配中都表现出显著较低的时间周转率（Bray-Curtis相异度）。
3.2 赤道站点具有更高的稳定性和更多的微生物指示物种
尽管生物域和粒径级配之间共享ASV的百分比相似（约8%–9%），但在常见和站点特异性指示ASV的分布和身份上出现了显著差异。指示物种分析显示，EAMO的指示ASV（148个原核生物，141个原生生物）多于BBMO（109个和33个）。最丰富的30个原核生物ASV突出了对比的时间动态：BBMO表现出强烈的季节性和生态位分化，而EAMO群落时间上更稳定。
3.3 赤道站点的季节性模式弱于温带站点
LSP分析检测季节性ASV揭示了两个站点之间其时间动态的显著差异。在所有数据集中识别出的180个季节性ASV中，绝大多数（85%，153个ASV）属于温带站点BBMO，而赤道站点EAMO仅检测到27个季节性ASV（15%）。在BBMO，季节性ASV显示出强烈的冬季主导性，其峰值丰度主要发生在9月至3月之间。相比之下，EAMO的季节性ASV没有明显的时间聚集。
3.4 赤道群落变异更多由生物和随机过程而非季节性选择驱动
观察到两个观测站之间构建微生物群落的生态过程的相对重要性存在显著差异。在所有比较中，确定性选择解释了原核生物比原生生物更高比例的群落周转，无论站点或粒径级配如何。选择在BBMO比在EAMO发挥了更强的作用。在温带站点，自由生活原核生物群落周转主要由温度（约39%）、昼长（约17%）和次要由小型原生生物群落结构（约5%）解释。相反，在赤道站点，自由生活原核生物群落周转仅弱由温度（约7%）、昼长（约3%）、铵浓度（约5%）和小型原生生物（约5%）解释。
3.5 赤道网络指标与季节性环境因素无关联
微生物共现网络揭示了赤道和温带站点之间在组成和拓扑性质上的根本结构差异。在EAMO，网络主要由原生生物主导（77% vs. 24%原核生物），特别是在小粒径级配中。相比之下，BBMO显示出更平衡的组成（53% vs. 48%）。几个网络指标在两个站点之间也存在显著差异。温带网络表现出更高的边密度、传递性和基于域的同类性，表明更大的互连性和模块化结构。相比之下，赤道网络具有显著更高的平均正关联强度和基于度的同类性。一个关键区别是网络结构与环境变异性的相关性：在BBMO，大多数网络指标（除传递性外）与季节因素（尤其是昼长和温度）显著相关；而在EAMO，网络指标与温度或昼长没有显著关系，尽管少数指标与营养盐相关。
4 讨论
研究结果支持了中心假设，即在赤道站点（EAMO），微生物群落周转受环境选择支配的程度低于温带站点（BBMO），这与环境异质性驱动确定性过程的更广泛预期一致。这一发现与最近的报告一致，表明选择随着海洋梯度上的环境变异性而增加。研究还发现了生物域之间的显著差异。原核生物的周转比原生生物更能由选择解释，这与之前来自海洋和淡水系统的发现一致。这些差异可能源于域特异性性状。
研究还观察到多样性和群落组成在观测站之间的明显差异。温带站点的原核生物多样性平均显著更高，特别是在冬季，而原生生物多样性仅在赤道站点的小粒径级配中更高。这些结果部分证实了全球空间观测显示原核生物多样性在中纬度地区形成平台期，而微型真核生物多样性向热带增加。
纬度差异在站点指示性和季节性ASV的数量上也很明显。EAMO指示物数量的增加可能由赤道站点更高的多样性稳定性解释。微生物共现网络的结构进一步强调了群落构建机制的纬度对比。EAMO网络的特点是连接性较低，但正关联强度更强，基于度的同类性更高，暗示了一个具有更少但更稳定相互作用的群落，可能由生物相互作用和环境同质性维持。相比之下，BBMO网络表现出更高的边密度、传递性和基于域的同类性，表明微生物相互作用更具模块化和内聚性。
BBMO网络指标与季节变量之间的强相关性，但在EAMO没有，表明环境选择不仅构建群落组成，还构建温带海洋中的微生物相互作用网络。然而，EAMO网络指标与硝酸盐和硅酸盐浓度相关，强化了微生物群落结构可能受到非季节性偶发沉积物混合影响的观点。
总之，网络和生态分析汇聚于一个连贯的观点：热带微生物群落虽然互连性较低，但更稳定，由随机或生物过程主导；而温带群落则由更强的环境选择塑造，这也影响了微生物相互作用的结构和动态。本研究强调了跨纬度比较时间序列对于厘清海洋微生物群落结构驱动因素的价值。随着气候变化改变环境波动的幅度和频率，理解决定性和随机力量在塑造微生物组中的平衡对于更好地预测未来生态系统响应至关重要。这强调了对更多连续热带时间序列观测站的需求，特别是那些应用分子工具的观测站，它们在全球范围内与温带数据集相比仍然代表性不足。
