Organic matter content and source is associated with the depth-dependent distribution of prokaryotes in lake sediments

IF 2.8 2区生物学 Q2 ECOLOGY

Freshwater Biology Pub Date : 2024-02-08 DOI:10.1111/fwb.14223

Dongna Yan, Zhisheng An, Eric Capo

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有机物含量和来源与湖泊沉积物中原核生物的深度分布有关

1 引言生活在沉积物中的原核生物（即细菌和古细菌）在水生系统的有机物（OM）循环、碳固存和温室气体（如 CH4、CO2、N2O）排放方面发挥着至关重要的作用（Bardgett 等人，2008 年；Cavicchioli 等人，2019 年；Falkowski 等人，2008 年；Madsen，2011 年；Parkes 等人，2005 年）。尽管厌氧呼吸和发酵是湖泊沉积物中公认的原核生物过程，但对于栖息在沉积物中的原核生物群落如何促进湖泊生态系统的生物地球化学循环，仍有许多知识有待获取。对来自湖泊沉积物环境的原核生物群落的 DNA 特征进行高分辨率剖析，并测量控制它们的环境因素，可以大大增加我们对这些未被充分研究的生态系统的了解。最近，将基于测序的程序应用于保存在湖泊沉积物中的 DNA 记录（sedDNA）的发展表明，这是研究各种生物的多样性、组成和结构的时空差异的有力工具（例如，Barouillet 等人，2023 年；Capo 等人，2021 年）。因此，沉积物 DNA 代谢编码方法已被成功用于研究湖泊食物网异养原生生物（如 Keck 等人，2020 年）、真核微藻（如 Capo 等人，2017 年）、蓝藻（如 Picard 等人，2022 年）或绿硫细菌（Coolen & Overmann, 2007 年）等多个组成部分过去的变化。上述生物群体的一个共同特点是，它们中的绝大多数都需要氧气或光照才能生存，因此沉积 DNA 信号很可能代表了它们过去在淡水系统中的分布情况。相比之下，许多异养细菌和古细菌能够通过厌氧呼吸或发酵在脱氧沉积物中繁衍生息，某些类型甚至可以在较深的沉积物中生存（Møller 等人，2020 年；Parkes 等人，2014 年；Vuillemin 等人，2020 年）。这引发了关于沉积 DNA 原核信号是否充分反映了埋藏时的群落组成的争论（Ahmed 等，2018 年；Li 等，2019 年），或者沉积 DNA 信号是否偏向于埋藏后随着时间的推移而发展和存活的次表层生物圈（例如，Capo 等，2022 年；Han 等，2020 年；Pearman 等，2022 年；Starnawski 等，2017 年；Vuillemin 等，2018 年、2020 年）。在海洋沉积物环境中，地下生物圈一直是大量研究的主题，而在湖泊沉积物中显然缺乏类似的研究，这导致人们对原核生物沉积 DNA 信号有不同的看法。由于人们对湖泊生态系统中地下原核生物群落与沉积环境之间的关系知之甚少，因此有必要从这些沉积物记录中获取更多高分辨率的剖面图、尽管已经对淡水沉积物中原核生物的垂直分布进行了研究（即 Borrel 等人，2012 年；Kallmeyer 等人，2015 年；Liao 等人，2022 年；Thomas & Ariztegui，2019 年；Villaescusa 等人，2011 年；Vuillemin 等人，2013 年，2018 年；Wurzbacher 等人，2017 年），但很少有研究获得了足够的采样分辨率和长序列记录，以将其群落与沉积物的地球化学特征联系起来。例如，研究包括来自德国东北部一个寡中营养硬水湖的 30 厘米深度记录（Wurzbacher 等人，2017 年）、来自中国中部一个富营养化巢湖的 50 厘米沉积物岩芯（李等人，2019 年）、来自芬兰南部一个小型北方腐殖质湖泊的 26 厘米长沉积物岩芯记录（Rissanen 等人，2019 年）以及来自青藏高原东部湖泊的 45 厘米沉积物岩芯（Zhu 等人，2023 年）。这些记录支持之前的证据（Berner，1980 年），即细菌和古细菌群的组成随沉积物深度/年龄的变化而发生显著变化。表层沉积物主要由变形菌群、类杆菌群、扁孢菌群和极古菌群组成。相比之下，地表下沉积物则以特征不太明显的菌群为主，如氨基链球菌、氯纤毛虫、醋酸菌和 Crenarchaeota。尽管大多数沉积物记录中的原核生物群落组成存在公认的差异，但中国富营养化太湖的 30 厘米沉积物记录表明，沉积物样本中细菌群的组成似乎相对均匀，而古细菌群的组成则随沉积物深度的变化而变化（Ye 等，2009 年）。最近，Liao 等人（2022 年）沿约 230 厘米长、间隔 20 厘米的沉积物岩芯研究了富营养化洞庭湖的原核生物群落组成，结果表明细菌群的组成比古细菌群对沉积物深度的反应更敏感。总体而言，我们对淡水沉积物中次表层原核生物群落的了解大多局限于浅层沉积物，从而阻碍了我们从环境因素和过程方面对次表层生物圈组成的了解。来自海洋沉积物的证据表明，从表层生物圈到次表层生物圈的转换是由表层分类群的选择造成的，只留下一部分种群在能量有限的深层区域繁衍生息（D'Hondt 等人，2019 年；Starnawski 等人，2017 年）。表层沉积物中原核生物的环境选择与厌氧微生物呼吸所用电子受体的耗竭密切相关（例如，Parkes 等人，2005 年；Walsh 等人，2016 年）。事实上，与海洋沉积物一样，电子受体的可用性随着沉积物深度的增加而降低（Nelson，1997 年；Wurzbacher 等人，2017 年；Zhu 等人，2023 年），导致淡水沉积物中原核生物群落的组成出现与深度相关的分层。原核细胞沉积在沉积物中时的气候条件预计会影响沉积物地球化学条件（Møller 等人，2020 年；Orsi 等人，2017 年），但沉积在表层沉积物上并被长期掩埋的微生物可能会进一步改变原核生物种群本身的地球化学特征和丰度（Thomas & Ariztegui, 2019 年；Vuillemin 等人，2013 年）。沉积物原核生物群落的组成主要与沉积物岩性特征以及与过去环境变化相关的电子受体的可用性有关（Vuillemin 等人，2013 年）。此外，营养状态会影响氧化还原化学和有机物（OM）的来源以及沉积物中的其他成分，进而影响微生物群落（Han 等人，2020 年）。在其他环境因素中，盐度（Wang 等人，2018 年）、OM（Jørgensen 等人，2012 年；Wang 等人，2021 年）、污染（Li 等人，2019 年；Thevenon 等人，2011 年）和 pH 值（Ruuskanen 等人，2018 年）似乎会塑造沉积物原核生物群落。本研究的目标是：（a）研究原核生物群落的多样性、组成和结构如何随沉积深度而变化；（b）探索环境因素对群落的影响。我们使用了 93 个沉积层的高分辨率数据集，其中 16S rRNA 基因定量 (q)PCR 估计值和 16S 代谢编码清单均来自澄海湖（中国西南部）约 2 米的沉积岩芯。我们的研究为湖泊沉积物中的地下生物圈及其与环境因素和过程的联系提供了一个新的视角。

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来源期刊

Freshwater Biology 生物-海洋与淡水生物学

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2 months

期刊介绍： Freshwater Biology publishes papers on all aspects of the ecology of inland waters, including rivers and lakes, ground waters, flood plains and other freshwater wetlands. We include studies of micro-organisms, algae, macrophytes, invertebrates, fish and other vertebrates, as well as those concerning whole systems and related physical and chemical aspects of the environment, provided that they have clear biological relevance. Studies may focus at any level in the ecological hierarchy from physiological ecology and animal behaviour, through population dynamics and evolutionary genetics, to community interactions, biogeography and ecosystem functioning. They may also be at any scale: from microhabitat to landscape, and continental to global. Preference is given to research, whether meta-analytical, experimental, theoretical or descriptive, highlighting causal (ecological) mechanisms from which clearly stated hypotheses are derived. Manuscripts with an experimental or conceptual flavour are particularly welcome, as are those or which integrate laboratory and field work, and studies from less well researched areas of the world. Priority is given to submissions that are likely to interest a wide range of readers. We encourage submission of papers well grounded in ecological theory that deal with issues related to the conservation and management of inland waters. Papers interpreting fundamental research in a way that makes clear its applied, strategic or socio-economic relevance are also welcome. Review articles (FRESHWATER BIOLOGY REVIEWS) and discussion papers (OPINION) are also invited: these enable authors to publish high-quality material outside the constraints of standard research papers.