《Journal of Biogeography》：Biogeographic Patterns and Drivers of Endolithic Symbiosis in Mussels Across Atlantic Europe and North Africa
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这篇论文通过随机森林模型，系统研究了潮间带贻贝与石内微生物（主要是蓝细菌）共生关系（包括侵蚀与潜在热缓冲）的空间与时间模式。研究表明，太阳辐射和叶绿素a浓度是影响小型和中等尺寸贻贝壳生物侵蚀（bioerosion）的关键预测因子，并揭示了从寄生到互利共生的动态转变。该研究强调了环境背景（如气候变化）对这种关键生物工程物种及其生态系统功能的深刻影响。
引言
潮间带是地球上最具变化性和动态性的生态系统之一，生活其中的生物面临着温度、盐度、湿度和波浪暴露的剧烈波动。除了非生物胁迫，生物相互作用（如竞争、捕食、促进和共生）也能显著改变生物体所处的微气候，进而影响物种分布和群落动态。在此背景下，贻贝与定殖于其贝壳的微生物石内群落之间的关系是一个值得注意的例子。这种关联存在于一个共生连续体中，范围从寄生到互利共生，取决于环境背景。在其有害的极端，蓝细菌、真菌和藻类等微生物的石内定殖会导致生物侵蚀，损害贻贝的适应性。相反，最近的研究表明，在特定条件下，这种关系可以转变为互利共生。例如，石内微生物可以通过增加反照率在热胁迫事件期间为宿主提供热缓冲，降低热致死亡风险。然而，对这种共生关系的大规模时空模式和环境驱动因素仍然知之甚少。本研究旨在调查大西洋欧洲和北非海岸潮间带贻贝中石内共生的流行程度、严重程度、时空动态和环境驱动因素。
材料与方法
研究区域、焦点物种与采样
本研究的目标物种是温带潮间带贻贝（地中海贻贝Mytilus galloprovincialis及其姐妹物种紫贻贝M. edulis），采样地点覆盖从摩洛哥到英国的大西洋东部潮间带海岸，共计14个地点。采样在2011年至2024年间的不同时间进行。所有地点均位于开阔、暴露的海岸线上，采样于春季大潮期间进行，仅限于日照充足、单层分布的贻贝床。
石内生物侵蚀评估
根据Kaehler (1999)的分类法，通过贝壳表面可见的损伤程度来评估石内生物侵蚀，分为五个级别：从贝壳完整（A组）到贝壳严重凹陷、变形且有孔洞（E组）。对于每个贻贝，使用损伤程度最高的壳瓣进行分类。
石内共生建模
为了评估石内共生的驱动因素，我们考虑了十个环境变量（包括八个动态变量和两个静态变量）以及贻贝尺寸等级，并采用随机森林（RF）算法结合前向特征选择和基于目标（site/year）的10折交叉验证来确定最重要的预测因子。为了简化模型，我们将贻贝基于石内微生物存在程度分为低（A或B级）和高（C、D或E级）两类。最终，我们采用两种互补的方法：（1）使用“简约”模型来解释石内微生物存在概率与关键预测因子之间的关系；（2）使用“包容”模型来预测其跨时空的发生情况。
候选环境驱动因素
候选预测因子包括空气温度、海表温度、海表盐度、海水pH值、表面净太阳辐射（SSR）、叶绿素a（CHL）浓度、净初级生产力（NPP）、有效波高、潮差以及到最近沙滩的海岸线距离，这些变量的选择基于它们对石内活动和贻贝易感性的潜在影响。对于动态预测因子，我们考虑了采样前1至12个月的月度值，以考虑潜在的滞后效应。
石内共生的时空模式
为了预测石内微生物存在在空间和时间上的分布，我们沿着研究区域的海岸线创建了25公里宽的六边形网格，并提取了使用包容性方法筛选出的环境预测因子。然后，应用随机森林模型预测了2011年1月至2024年10月期间每月的石内定殖概率，并计算了纬度带内的平均定殖概率和标准差以识别高变异性区域。
结果
各研究点的石内诱导贻贝壳生物侵蚀
在英国（2017年）和法国（2024年）的地点，大多数贻贝没有或仅有极低水平的石内微生物存在迹象（A级和B级）。然而，较大的个体更有可能显示出中度（C级）或高水平（D级）的存在。葡萄牙在2011年观察到类似模式。相比之下，到2019年，动态发生了变化：即使是小型贻贝（11–20 mm）也显示出中度到高水平的侵蚀，一些中到大型个体（≥21–30 mm）出现了有孔或变形的贝壳（E级）。摩洛哥北部的两个地点在2014年也观察到类似的模式，而在其余四个摩洛哥地点，大多数贻贝显示出广泛的石内关联迹象（D级或E级）。值得注意的是，在最南端的两个地点，有孔或变形的贝壳存在于所有尺寸类别中。
石内共生的环境驱动因素
表现最佳的随机森林模型使用了四个预测因子：采集数据前11个月的表面净太阳辐射（SSR-11）、采集数据前8个月和4个月的叶绿素a浓度（CHL-8和CHL-4）以及贻贝尺寸等级。根据简约方法，我们剔除了CHL-8，最终模型保留了SSR-11、贻贝尺寸等级和CHL-4，模型性能较高（F1分数=0.8）。对于最小的贻贝（0–10 mm），当SSR-11值在6×106至2.3×107J/m2之间且CHL-4值在0.95至5 mg/m3之间时，石内微生物存在的概率接近1；当CHL-4低于0.5 mg/m3时，概率变化较大。在其他条件下，概率接近0。这种模式在接下来的两个尺寸类别（11–20 mm和21–30 mm）中持续存在，尽管在低CHL-4值时石内共生可能性增加。对于较大的贻贝（31–40 mm），当SSR-11超过2.3×107J/m2且CHL-4保持在0.5 mg/m3以上时，石内微生物存在概率上升。对于最大的贻贝（≥51–60 mm），当SSR-11在6×106至2.3×107J/m2之间时，概率达到1，无论CHL-4水平如何。在极高的SSR-11值（>2.3×107J/m2）和极低的CHL-4（<0.5 mg/m3）下，概率最小（<0.4），在其他地方则保持在0.5以上。
石内共生的时空模式
使用包容性方法，拟合了一个包含八个预测因子的随机森林模型：采集数据前11个月和9个月的表面净太阳辐射、采集数据前8个月和4个月的叶绿素a浓度、采集数据前6个月和4个月的净初级生产力、采集数据前1个月的海水pH值以及贻贝尺寸等级。该模型用于重建每个尺寸类别的石内关联概率的长期纬度和季节趋势及其变异性。对于小型贻贝（0–10 mm和11–20 mm），石内关联概率呈现出清晰的季节模式。在高纬度地区（45°N–55°N）从夏季到初秋（7月至10月），以及在中纬度地区（30°N–45°N）从晚冬到早春（3月至5月），概率接近于0。相反，在低纬度地区（20°N–30°N）从夏季到初冬（7月至次年1月），概率接近1。在其他纬度和一年中的其他时间，概率通常在0.3到0.7之间。这种时空模式在各尺寸类别中持续存在，但在较大的贻贝（≥41–50 mm）中变得不那么明显，其石内关联概率全年都接近1，尽管在高纬度夏季和中纬度春季概率持续较低。对于小型和中型贻贝（0–10 mm至31–40 mm），具有中等平均关联概率（0.3–0.7）的纬度和时期表现出高变异性，尤其是在低纬度地区的晚冬到春季。相比之下，大型贻贝（≥41–50 mm）表现出持续的低变异性，除了在30°N至40°N之间的春季。
讨论
我们的综合分析揭示了贻贝壳被石内微生物生物侵蚀的一致纬度和尺寸依赖模式，为了解这种广泛生态相互作用的驱动因素提供了新的见解。潮间带贻贝中的石内微生物存在在低纬度和较大个体中显著更高。我们的建模方法揭示了独特的时空动态：在小型和中等尺寸的贻贝中，石内微生物存在在高纬度地区的夏季至初秋以及中纬度地区的晚冬至早春最低，而在低纬度地区的夏季至初冬达到峰值。这种模式在较大的贻贝中不那么明显，它们全年表现出持续的高概率，这可能是由于它们更长的暴露时间和更大的表面积有利于微生物定殖。这些发现共同凸显了尺寸、季节性和地理在塑造石内共生动力学中的复杂相互作用。
石内共生的环境驱动因素
我们的分析强调，太阳辐射和叶绿素a浓度显著影响石内微生物存在的概率，特别是对于较小的贻贝（0–30 mm）。具体来说，当采样前11个月的表面净太阳辐射在6×106至2.3×107J/m2之间时，概率最高，这表明了一个与石内光合生物最佳光合作用条件相关的生物学上有意义的窗口。这与先前的研究一致，即适度的太阳辐射条件下，由于蓝细菌和藻类的代谢活动和生长条件优化，微生物定殖增强。观察到的环境条件峰值与石内微生物存在增加之间几个月的滞后，与定殖和相关贝壳侵蚀的渐进过程一致。虽然观察到的11个月滞后需要谨慎解释，但考虑到石内定殖的缓慢和渐进性质以及贻贝贝壳沉积本身的季节性，这些相对较长的滞后时间在生物学上是合理的。
叶绿素a浓度的影响呈现U形模式。在低和高叶绿素a浓度下，生物侵蚀概率的持续存在是出乎意料的。在低叶绿素a水平下的非零概率可能反映了模型假象或未捕获的基础环境变异性。对于高叶绿素a水平，两种非互斥的假设可以解释这种模式。首先，高叶绿素a水平可能增强贻贝营养，潜在地提高贝壳维护和钙化能力，从而降低对生物侵蚀的脆弱性。其次，高叶绿素a也可能表明营养丰富、生产力高的水域，其中浮游藻类和潜在的自由生活阶段的钻壳微生物大量繁殖，增加了可用于定殖贻贝壳的石内繁殖体库。中间叶绿素a水平下低石内定殖概率的持续存在支持这一解释，因为这些条件可能提供足够的食物以满足贝壳维护的能量成本，同时石内繁殖体仍然过于稀少而无法引发广泛的生物侵蚀。
石内共生的时空模式
与石内微生物存在相关的贝壳侵蚀在南部（较温暖）地区持续较高，这种模式可能反映了低纬度地区更严酷的非生物胁迫和宿主生理学的综合影响。相反，较高纬度地区较凉爽、温和的气候可能限制了石内生物的增殖并减少了宿主胁迫。在45°N至55°N之间定殖概率的降低可能反映了石内微生物光合代谢和定殖潜力的次优条件。在中纬度地区（30°N–45°N），从晚冬至早春，石内关联概率显著下降。这种季节性减少与太阳辐射减少、初级生产力降低以及特定的海洋学过程密切相关。在20°N至30°N之间从夏季到初冬的高概率可能由春季和夏季沿海上升流事件后太阳辐射和初级生产力的季节性峰值驱动。
石内共生的长期趋势
我们研究的另一个发现是实地调查中观察到的时间变化，特别是在2011年至2019年间的葡萄牙，石内生物侵蚀加剧，甚至出现在较小的贻贝中，表明近年来生物侵蚀速率在加速。这些模式可能反映了更广泛的气候变化，如海水温度升高、酸化或富营养化，潜在地降低了贻贝抵抗或修复贝壳损伤的能力。一个可能的促成因素是气候变化驱动的云量模式变化。卫星观测显示，变暖海洋上空的反射性云量和低层层积云最近减少和消散，这增加了到达地球表面的太阳辐射量。这种额外的光照输入可能加剧潮间带贻贝的热和生理胁迫，但也可能增强光合作用，从而加强石内蓝细菌的侵蚀作用，这些蓝细菌是光合作用的，并且是贻贝壳内石内群落的主要组成部分。从更广泛的理论角度来看，这些发现可以在生物地理学框架内解释，在该框架中，物种相互作用有助于在空间和时间上变化的环境机制下塑造实际分布。
石内微生物的生物地理学
潮间带双壳类中的石内群落以丝状蓝细菌为主，通常伴随着绿藻、真菌和异养细菌。尽管这些类群在全球范围内存在，但它们的相对丰度和多样性在不同纬度和生物区域之间存在显著差异。较低纬度的海岸通常支持更高的侵染强度和更丰富的光合自养生物组合，反映了钻洞蓝细菌对光线和温暖温度的强烈依赖性。生物区域结构也很明显。例如，沿南非海岸，潮间带贻贝中的石内组合按海洋学省份而非宿主身份聚类，表明环境过滤超过了宿主特异性。这些模式表明，石内类群表现出受区域环境差异影响的生物地理分布。
贻贝尺寸效应与石内定殖动力学
石内微生物存在的强度与贻贝尺寸呈强正相关，较大的个体表现出更高水平的生物侵蚀。多种机制可以解释这一点。首先，较大的贻贝只是为定殖提供了更多的贝壳表面积，为定居的微生物提供了更大的目标。其次，较大的贻贝年龄更大，有更多时间积累和加深菌落。第三，贻贝生物学的个体发育变化可能起作用。随着贻贝生长，分配给免疫防御和贝壳修复的组织比例减少，它们可能将相对更多的能量分配给繁殖和摄食。简而言之，贻贝尺寸与石内微生物存在之间的正相关关系可能源于几何暴露（面积和厚度）、累积暴露时间以及可能的与年龄相关的免疫或生物矿化能力下降的组合。
未来的研究方向
我们的分析为未来的研究开辟了几个有前景的方向。这些包括深入了解宿主特征，如贝壳年龄、厚度和矿物成分，以更好地理解贝壳结构如何调节微生物定居和定殖动力学。通过DNA或显微镜调查纳入微生物数据，可以揭示钻洞类群的多样性和功能灵活性。增加高频采样的时间分辨率将有助于检测短期环境滞后效应和石内活动的季节性变化。此外，在更广泛的空间和分类学尺度上探索初级生产力、海洋学过程与贻贝-石内相互作用之间的相互作用，将使未来的研究能够建立一个机制性建模框架。最后，通过将精细尺度的过程与宏观尺度的动力学联系起来，未来的研究将揭示驱动石内共生的机制，为全球海岸带生态系统的结构和恢复力提供新的见解。
