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项目文章|珠江口中颗粒物附着细菌和自由生活细菌的代谢潜力差异

来源:admin    发布时间:2020-07-15   阅读数:106

惊喜总是在不经意间来到,a级黄色片又一项目文章见刊啦!汕头大学理学院生物系王慧副教授研究团队的研究成果刊登Science of the Total Environment。该研究运用16S rDNA和GeoChip5.0的研究方法对珠江口中颗粒物附着细菌和自由生活细菌的代谢潜力差异进行了探究,下面是该文的解读,一起来领略一下吧!

珠江口中颗粒物附着细菌和自由生活细菌的代谢潜力差异出处图
Differences in metabolic potential between particle-associated and freeliving bacteria along Pearl River Estuary 珠江口中颗粒物附着细菌和自由生活细菌的代谢潜力差异

发表期刊:Science of the Total Environment

第一作者:刘晏阳、林群

通讯作者:王慧

作者单位:汕头大学

研究方法:16S+GeoChip5.0

影响因子:5.92

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138856


导读

颗粒物( Particulate organic matter, POM) 在各种水环境中普遍存在,它主要由活的浮游植物和死亡的动植物碎屑物质组成,一方面,通过各种方式与胶体、溶解的有机物和无机物相互作用,导致水生生态系统中元素、营养物质和特定化合物,如有机污染物、重金属和放射性同位素的重新分布;另一方面,浮游植物能合成并向藻细胞周围分泌一些胞外产物(Extracellular products, ECP),如碳水化合物、氨基酸、酶类等,为微生物活动和有机质再矿化提供了“热点”,是构成海洋微食物网的基础。细菌作为介导碳、氮、磷、硫等物质的生物地球化学循环的主要参与者,在水生环境中存在有机碳和营养物质的微尺度梯度情况下,可占据各种不同的微生态位,它们通常营不同的生活方式:自由生活( Free-living)或者附着在颗粒物(Particle-associated)上生活, 造成了在群落结构组成和功能上可能存在差异。本研究选择具有代表性的河口——珠江口,设置8个采样站位,分别采集细菌(颗粒物附着细菌与自由生活细菌)和浮游微藻的样品,通过对颗粒物附着细菌与自由生活细菌样品进行16S rRNA基因高通量测序,分析它们在不同的原位环境中的群落结构组成和分布规律;同时,分析在相同的原位环境中颗粒物附着细菌和自由生活细菌群落结构的差异;通过功能基因芯片(GeoChip 5.0)对颗粒物附着细菌和自由生活细菌的功能基因进行检测,获取它们参与碳、氮、磷、硫等物质代谢活动所携带的功能基因信息和功能差异;并通过分析颗粒物中浮游微藻的群落结构组成,探究藻菌之间潜在的相互作用关系。


主要结果

1、不同采样站位的微生物群落结构和组成

文章对各个站位的温度、盐度、总有机碳、总无机氮、亚硝酸盐、硝酸盐、铵盐等环境因子进行测定,根据盐度高低,将这8个站位进行划分:S1属于珠江口流域上游的淡水区,S2、S3、S4、S5这四个站位属于半咸水区,S6、S7、S8这三个站位属于咸水区。而一些如总无机氮(TN)、总有机碳(TOC)和溶解无机氮(DIN),从淡水区到海水区呈现了逐渐降低的变化规律。利用典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA)发现菌群和环境因子具有明显的相关性,说明盐度和营养盐浓度是影响菌群分布的重要因素。

基于细菌OTUs水平上的主坐标分析(a)和非度量的多维标度分析图
图1 基于细菌OTUs水平上的主坐标分析(a)和非度量的多维标度分析(b)


2、颗粒物附着细菌和自由生活细菌的群落结构和组成

对比同一采样站位的颗粒物附着细菌和自由生活细菌的群落结构组成,两者存在差异(图1b)。在颗粒物附着细菌样品中, Limnohabitans、 Rhodobacteraceae和Burkholderiaceae的某属、Fluviicola、 Marinoscillum、Flavobacterium等菌群的相对丰度更高。而在自由生活细菌样品中,SAR11 clade、SAR86 clade 、Pseudohongiella、NS5 marine group、HgcI clade等菌群的相对丰度更高(图1&2)。

颗粒物附着细菌和自由生活细菌在属水平上的群落结构组成图
图2 颗粒物附着细菌和自由生活细菌在属水平上的群落结构组成


3、不同采样站位细菌介导生物地球化学循环的功能基因和途径

基于GeoChip 5.0分析的PCoA和NMDS分析结果显示,细菌群落在S2、S4、S6和S8位点也具有不同的功能潜能。根据功能基因组成,不同采样位点的细菌群落可分为I类(S2和S4)和II类(S6和S8),表明功能相似的细菌群落空间分布明显(图S4)。通过GeoChip分析检测到物质循环(C、N、P和S)、金属稳态、有机修复、次生代谢和毒力等功能基因。在站位S2和S4,与各代谢途径相关的功能基因丰度最高,但在站位S6和S8急剧减少(图3)。

 颗粒物附着细菌和自由生活细菌介导的所有代谢途径相关的功能基因的归一化信号强度图 

图3 颗粒物附着细菌和自由生活细菌介导的所有代谢途径相关的功能基因的归一化信号强度。y轴代表GeoChip检测到的所有代谢途径。x轴表示不同代谢途径的归一化信号总强度。颗粒物附着细菌用圆表示,自由生活细菌用三角形表示。不同形状的颜色表示不同的基因类别。S表示采样站位。


基于GeoChip的分析显示,颗粒物附着细菌和自由生活细菌的功能基因存在明显差异。颗粒物附着细菌中涉及营养循环(C、N、P和S)、金属稳态、有机修复、次级代谢和毒力的功能基因种类和代谢途径较自由生活细菌丰富(P<0.05;图3)。此外,颗粒物附着细菌中碳固定、氮固定、DMSP降解、聚磷酸盐降解、arse-nic代谢和芳烃降解等功能基因的丰度总体较高。虽然在大多数样品中,大部分与氮循环有关的基因在颗粒相关细菌中显著升高,但在S4位点中,hzsA (anammox)和napA (dissimilatory N reduction)等几个基因的丰度显著降低(P<0.05;图4)。值得注意的是,在TOC和DIN水平较低的S6和S8位点,厌氧氨氧化相关的功能基因含量较高。同样,大多数与DMSP降解,硫化物氧化、硫氧化等代谢相关的基因在颗粒物附着细菌中丰度较高,而其他一些基因,如soxA、soxB和soxC(硫酸盐还原),明显是S4位点的自由生活细菌中的丰度更高(P<0.05;图4 b)。大部分与碳循环、重金属降解和磷循环等相关功能基因在颗粒物附着细菌中丰度较高,有些基因如arrA, arsM, chrR, cueO等在两者中没有明显差异(图5)。

采样站位中介导氮循环图
图4 在S2、S4、S6和S8四个采样站位中介导氮循环(a)和硫循环(b)的功能基因。GeoChip检测到的基因为黑色,未检测到的基因为灰色;条形图显示了不同样本中各基因的总信号强度。S表示采样地点;P表示颗粒物附着细菌样本;f:自由生活细菌样本。

不同站位中细菌介导碳循环、重金属降解和磷循环等的功能基因图
图5 不同站位中细菌介导碳循环、重金属降解和磷循环等的功能基因


5、微藻的群落结构组成及其与颗粒物附着细菌的潜在关系

各采样站位以硅藻门为主,而微藻群落结构在属水平上存在差异。小环藻和直链藻等在淡水区样品中占主导地位,角毛藻在咸水区S6-S8中占优势地位,淡水和咸水区采样站位均发现了中肋骨条藻,其中在S5位点占很大的优势,其相对丰度为73%。在水生环境中,尤其是寡营养地区,颗粒物附着细菌与藻共生,以获取藻分泌的营养物质。因此,微藻的群落结构和组成,对颗粒细菌群落组成的潜在影响。根据我们在咸水区(S6和S7)的数据,富集的黄杆菌与角毛藻共存,与此相对应的是碳循环相关基因的高浓缩大量的细菌。大多数这些基因被注释为amyA和ara,以及编码木聚糖酶,纤维素酶和乙酰氨基葡萄糖酶等基因,因此黄杆菌科得以利用各种多糖,如淀粉,半纤维素,纤维素和几丁质。此外,S6位点也发现功能丰富的红杆菌的丰度较高,其中角毛藻占总数的20%以上浮游植物群落。




参考文献

1.Yanyang Liu, Qun Lin, Jiarong Feng, Fumin Yang, Hong Du, Zhong Hu, Hui Wang* (2020). Differences in metabolic potential between particle-associated and free-living bacteria along Pearl River Estuary, Science of The Total Environment, 728: 138856.

2. Jianming Zhu, Yiguo Hong, Sahib Zada, Zhong Hu, Hui Wang* (2018). Spatial variability and co-acclimation of phytoplankton and bacterioplankton communities in the Pearl River estuary, China. Frontiers in Microbiology, 9: 2503.



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