《Marine Chemistry》：Vertical distribution pattern, preferred life strategies and environmental response of prokaryotic microbiome in the eastern tropical Indian Ocean
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微生物群落垂直分布与适应机制研究：在东部热带印度洋分层海域中，通过高通量测序和定量PCR分析发现，自由生活（FL）和颗粒相关（PA）微生物的丰度及α多样性均随深度增加而显著降低。不同深度层形成特定的微生物指示类群：混合层（<100m）以蓝藻和红螺菌科为主，中深层（100-1000m）以SAR324 clade和盐球菌科富集，深层（>1000m）以酸杆菌门和 Gemmatimonadota 为主。环境梯度（温度、盐度、溶解氧）驱动微生物群落结构重组，并影响其生态功能适应性，揭示了不同生活方式微生物在分层海洋中的适应策略。
Jinfeng Wang | Wenbin Zhao | Shaodong Zhu | Keyi Huang | Yulin Zhang | Haojin Cheng | Qin Ma | Derui Song | Jiwen Liu | Xiao-Hua Zhang | Xiaolei Wang
中国海洋大学海洋生命科学学院及深海多圈层与地球系统前沿科学中心，青岛 266003
摘要
东热带印度洋（ETIO）具有明显的水层分层现象，形成了典型的贫营养环境，使其成为研究微生物环境响应的理想区域。然而，对于具有不同生活方式的原核微生物组的垂直分布模式仍缺乏了解。在本研究中，我们调查了ETIO中自由生活（FL）和颗粒相关（PA）微生物的丰度、多样性和分布特征。微生物的丰度和α多样性指数随深度显著下降，分别从7.45 ± 1.20降至6.35 ± 0.42 lg拷贝/L（FL），以及从5.72 ± 0.43降至5.17 ± 0.43 lg拷贝/L（PA）。群落组成和网络复杂性表现出明显的垂直差异。某些细菌成为特定深度的微生物指标：混合层（<100m；SL）中的蓝细菌和Rhodospirillaceae，中层海域（100-1,000m；ML）中富集的SAR324支系和Salinisphaeraceae，而深层海域（>1,000m；BL）中则富集了酸杆菌门（Acidobacteriota）、Gemmataimonadota和Alteromonadaceae。微生物的聚集模式主要受SL中温度、盐度和溶解氧（DO）的影响，并随着深度增加而向随机过程转变。我们的发现揭示了不同生活方式的微生物通过群落重组适应分层海洋环境的策略，为评估它们在生物地球化学循环中的生态作用提供了理论基础。
引言
印度洋是世界第三大海洋，因其复杂的动态过程和多尺度季风电流系统而备受关注。东热带印度洋（ETIO）位于80°E至100°E和10°S至15°N范围内。北印度洋，特别是阿拉伯海和孟加拉湾，在季风的影响下表现出强烈的淡水主导的盐度分层（Rahaman等人，2014年）。相比之下，东热带印度洋（ETIO）受远距离动力因素（如印度尼西亚贯穿流）的控制，表现出典型的温盐分层（Lee等人，2002年）。混合层（<100m，SL）中，大气过程产生的湍流使温度均匀分布；中层海域（100-1,000m，ML）具有最强的分层，将上层混合层与海洋深层分离；深层海域（>1,000m，BL）的温度较低，几乎不受时间影响且从下温跃层到海底相对恒定（Romero等人，2023年）。同时，ETIO还表现出上升流和深层水混合受到抑制，是一个典型的低营养区域（Prasanna Kumar等人，2009年）。
微生物是海洋环境中数量最多、多样性最高且生物量最大的类群，在碳（C）、氮（N）、磷（P）和铁（Fe）等关键元素的全球循环中起着重要作用（Go?i-Urriza等人，1999年；Jiao等人，2007年；Emerson等人，2010年；Cavicchioli等人，2019年）。复杂的海洋环境塑造了ETIO独特的微生物群落特征。淡水输入降低了ETIO的表层盐度，并加剧了温度、盐度和密度的分层（Chaudhuri等人，2019年）。这种现象阻碍了微生物在不同水层之间的迁移和扩散，将微生物群落分隔成不同的层次，限制了基因交换（Wang等人，2023年）。先前的研究表明，ETIO中的细菌群落主要由贫营养细菌主导（例如SAR11）。这些细菌具有独特的生理适应性，能够通过高效利用可用资源进行生长和繁殖，在低营养环境中繁衍（Haber等人，2022年）。我们之前的研究报道，弧菌可能随着水深的增加从自由生活生活方式转变为混合生活方式，Paraphotobacterium marinum主要分布在表层水域，而V. rotiferianus OTU1528主要分布在较深的水域（Zhu等人，2023年）。然而，关于ETIO整个水柱中总原核微生物垂直分布的研究仍然很少。
海洋微生物具有不同的生活方式，即自由生活（FL）和颗粒相关（PA）形式（Rosenberg等人，2020年）。由于它们特殊的代谢方式和较高的细胞外酶活性，PA微生物非常适合定殖并利用颗粒作为营养来源（Crump等人，1999年）。它们还能适应颗粒表面或内部的缺氧和富营养微生境（Grossart等人，2007年；Grossart，2010年）。相比之下，FL原核微生物由于其较小的基因组而适应低营养环境（Smith等人，2013年；Satinsky等人，2017年）。FL微生物中元素循环基因的表达水平受周围盐度和营养物质的影响较小（Satinsky等人，2017年）。与生物地球化学相关的基因表达水平，尤其是与氮循环和磷吸收相关的基因，在不同环境中的PA原核微生物中差异显著（Satinsky等人，2017年）。此外，对西地中海的研究发现，FL和PA群落在不同深度表现出不同的分布模式。在叶绿素最大值（DCM）层，PA群落的多样性明显低于FL群落。此外，该层中PA群落主要由Alteromonas macleodii主导，而FL群落则主要由SAR86和SAR11簇主导（Acinas等人，1999年）。具有不同生活方式的原核微生物具有独特的代谢途径，可能使它们能够对环境变化表现出不同的适应特性，应进行系统研究。
各种因素塑造了不同区域的独特微生物群落，微生物群落在不同空间尺度上经常表现出动态变化（Martin-Platero等人，2018年；Liu等人，2022年）。在大西洋的研究中，发现伽玛变形菌在3,000米深度的浮游生物群落中占主导地位，表明存在一种适应低温的深海生态类型（Ma等人，2009年）。在北太平洋，表层水中的细菌多样性高于深层水域，主要是因为阳光驱动的光合作用产生了丰富的有机物质，支持了多样的异养细菌（Brown等人，2009年）。相比之下，深海的独特物理和化学环境，如低氧、低温和高压，显著增强了特定类群（如氨氧化古菌和甲烷生成菌）的多样性（Brown等人，2009年）。最近的研究表明，温度、盐度和溶解氧已被确定为影响ETIO表层水域细菌群落结构的关键环境因素（Qian等人，2018年；Gao等人，2021年）。
微生物相互作用可能反映了微生物对不同环境条件的适应和生存策略（Liu等人，2022年）。例如，一项关于中国南海北部冷渗漏区微生物群落网络相关性的研究探讨了冷渗漏环境中甲烷代谢细菌和共生细菌之间的网络关系（Zhang等人，2020年）。硫酸盐和甲烷浓度通过影响厌氧甲烷氧化古菌和硫酸盐还原细菌之间的相互作用强度来调节群落结构，它们之间的强互利关系支持了微生物对高硫酸盐环境的适应（Zhang等人，2020年）。对全球海洋原核微生物群落模块化共现结构的研究表明，同一模块内的微生物可能存在代谢相互作用。在强烈的厄尔尼诺事件期间，适应温暖的模块比例显著增加，取代了适应寒冷的模块，表明快速模块重组有助于维持群落的功能稳定性（Milke等人，2023年）。最近，种间相互作用和群落组装机制也成为塑造微生物群落结构的重要决定因素（Li等人，2021年；Cui等人，2019年），并且可以进一步在不同水深上进行研究。然而，ETIO的垂直分层和贫营养特性如何具体影响FL和PA微生物，以及哪个因素占主导地位，仍不清楚。
在本研究中，我们使用基于16S rRNA基因的高通量测序和定量PCR技术来探索ETIO整个水深中的微生物垂直分布模式。通过整合多维分析方法，我们研究了ETIO中FL和PA原核群落的垂直动态、不同的组装机制和生态相互作用网络，以解决以下问题：是否存在与深度相关的环境梯度驱动细菌丰度的下降并促进生活方式的转变？分离ETIO中微生物群落和组装过程的主要驱动力是什么？哪些物种可以作为ETIO深层水域的微生物指标？我们的研究加深了我们对优势类群分布及其与环境因素相互作用的理解，为评估开阔海洋中微生物垂直分布的主要驱动因素奠定了基础。
部分摘录
样品采集与处理
为了探索ETIO中微生物群落的分布，2021年4月29日至6月5日期间，在ETIO调查船R/V Shiyan3上采集了113个海水样本，来自10个采样点（S10-01、EQ-11、E87-13、EQ-1、H14、H04、E87-21、E87-25、E87-31），用于后续的微生物群落分析（图1A）。海水使用5升瓶子收集，这些瓶子连接在一个玫瑰花形多采样器上，可以测量电导率、温度和深度（CTD）
环境条件
从ETIO的10个垂直采样点共收集了113个海水样本（图1A和B）。具体来说，盐度、DIP、NO3-和DSi的浓度随深度逐渐增加。温度的垂直剖面呈现出与深度相反的趋势。特别是在采样期间，温度范围从0.8°C到31.6°C
讨论
海洋微生物是生物地球化学循环的核心驱动因素，在维持海洋生态系统的结构和功能方面发挥着重要作用（Sunagawa等人，2015年）。先前的印度洋研究主要集中在评估微生物群落的动态及其在水平和垂直尺度上的稳定性机制（Ding等人，2021年；Gao等人，2021年；Zhang等人，2024年）。然而，关于群落动态和环境适应性的研究仍然不足
结论
在这项研究中，我们从多个角度比较了ETIO不同水层中的FL和PA微生物。微生物的丰度和α多样性随深度增加而减少，群落组成和网络复杂性表现出明显的垂直分层。光自养类群（蓝细菌和Rhodospirillaceae等）、化能自养和嗜压生物（如Salinisphaeraceae），以及酸杆菌门（Acidobacteriota）和Gemmataimonadota占主导地位
CRediT作者贡献声明
Derui Song：研究工作。Qin Ma：研究工作。Jiwen Liu：写作——审稿与编辑、监督。Xiaolei Wang：写作——审稿与编辑、资源获取、方法论、资金申请、概念构思。Xiao-Hua Zhang：监督、资金申请、概念构思。Wenbin Zhao：方法论、正式分析、数据管理、概念构思。Jinfeng Wang：写作——初稿撰写、研究工作、正式分析、数据管理、概念构思。Keyi Huang：方法论、研究工作。
未引用参考文献
Liu等人，2022年；Zhang等人，2024年。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突。我们确认手稿内容是原创的，之前未发表过，也没有在其他地方考虑发表。
资助
本研究得到了崂山实验室科技创新项目（LSKJ202203206和2022QNLM030004-3）、山东省自然科学基金（ZR2025MS679）、中央高校基本科研业务费（202172002）和国家自然科学基金（42206088）的资助。数据和样本是在R/V Shiyan3上收集的，该船执行了由NSFC支持的开放研究巡航NORC2022-10。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢R/V Shiyan3上的所有船员和潜水员在考察期间为样本采集所做的巨大努力和帮助。
