Water Research
太湖蓝藻水华期间大蓝藻菌落与小悬浮颗粒的宏转录组研究
文章信息
文章标题：Contrasting but interconnecting metatranscriptome between large buoyant and small suspended particles during cyanobacterial blooming in the large shallow eutrophic Taihu Lake
期刊名称：Water Research
第一作者：施丽梅
通讯作者：吴庆龙
通讯单位：中国科学院南京地理与湖泊研究所
出版日期：2024 年
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122539
摘要
在富营养化的太湖中，蓝藻水华期间大浮力蓝藻菌落（LA）和小悬浮颗粒（SA）之间存在对比但相互联系的宏转录组。与 SA 相关的活性细菌群落组成比 LA 更加多样，但它们的功能多样性无显著差异。变形菌门与磷和氮代谢相关的转录本以及拟杆菌门与呼吸相关的转录本在 LA 中富集，而蓝藻中与光合作用、辅因子和蛋白质代谢等更多途径相关的转录本在 SA 中富集。此外，LA 和 SA 中的许多转录本之间存在显著相关性，SA 中的许多转录本与 LA 中蓝藻藻胆体的转录本显著相关，这表明 SA 中细菌的代谢可能影响 LA 中蓝藻的生物量。因此，当水面上没有可见的水华时，通过 SA 中细菌的活动来预测蓝藻水华可能是可行的。
研究背景
在蓝藻水华频发的湖泊中，蓝藻菌落是湖泊颗粒的主要成分，大小各异。研究表明，附着于颗粒的细菌群落与水中自由细菌不同且更活跃，不同颗粒代表不同生态位，栖息着不同微生物。藻类是细菌定植热点，蓝藻衍生有机颗粒与其他颗粒不同，与蓝藻菌落相关的异养细菌具有特异性，其基因表达水平随水华阶段变化。蓝藻水华会改变细菌组成和活性，影响水生系统营养循环。
结果与讨论
LA 样本中 reads 数量为 32312535~ 62930351，平均长度为 151~176 碱基对；SA 样本中 reads 数量为 32060456~53138207，平均长度为 156 ~178 碱基对。活性微生物群落主要由细菌主导，LA 中细菌的比例显著高于 SA。
蓝藻在 LA 中占绝对优势（94.3%~97.8%），显著高于 SA（25.6% ~ 86.2%）；在门水平上，NMDS 和 ANOSIM 结果表明 LA 和 SA 的细菌组成有很大不同，PERMDISP 结果显示 LA 中活性群落的 β 多样性低于 SA，LA 中微生物的 Shannon 多样性也低于 SA，说明 LA 中的细菌群落对环境变化更稳定。
对于总细菌，蛋白质代谢、光合作用、碳水化合物等在功能上均占约 10%；PERMDISP 结果表明 LA 和 SA 中功能基因的 β 多样性无显著差异，但 LA 中功能冗余相对较低，MDS 图显示 LA 和 SA 样本在基因表达模式上有明显分离，约有 2830 个差异表达转录本（DETs）被检测到在 LA 和 SA 之间显著不同。
蓝藻中，与 DNA 代谢、RNA 代谢、细胞分裂和细胞周期、蛋白质代谢和光合作用等途径相关的转录本仅在 SA 中富集；对于变形菌门，与氮代谢和磷代谢相关的转录本在 LA 中富集，而与 DNA 代谢、RNA 代谢和蛋白质代谢相关的转录本在 SA 中富集；对于拟杆菌门，只有呼吸途径在 LA 中富集；对于放线菌门，只有芳香族化合物代谢途径在 LA 中富集；对于浮霉菌门，只有蛋白质、DNA 和磷代谢等途径在 SA 中富集；对于厚壁菌门，与毒力、疾病和防御相关的转录本在 LA 中富集，而运动和趋化性、蛋白质代谢在 SA 中富集。这些结果突出了两种颗粒中细菌不同的富集代谢。
碳水化合物代谢：蓝藻中与 CO₂吸收和羧基体相关的转录本在 LA 和 SA 均富集，但转录本不同；拟杆菌门与多糖和单糖相关的转录本居多，LA 中糖原代谢转录本显著富集，SA 中鼠李糖利用等相关转录本显著富集，SA 中 TCA 循环等中央碳水化合物代谢途径也富集。
辅助因子、维生素、辅基和色素：细菌和蓝藻对钴胺素等相互依赖，水华发展中放线菌对这些辅助因子供应贡献增加。
通过网络分析发现，LA 中不同细菌门之间关系密切，合作互作占主导，变形菌门在细菌合作互作中起主导作用；SA 中不同细菌门之间也有密切联系，蓝藻在细菌的负相互作用中起主导作用，合作互作在细菌中占主导地位。基于活性细菌组成，LA 和 SA 中细菌的主要关系是竞争，但 LA 中细菌的生态位宽度相对较高，竞争较弱，系统更稳定；蓝藻在 LA 中需要参与生存竞争，而在 SA 中竞争压力较小，能更自由地生长。
WGCNA 揭示了许多功能基因的表达模式显著协调，并聚类为 16 个 WGCNA 共表达模块，其中黄色模块与叶绿素 a 显著相关；Venn 分析表明 LA 和 SA 之间许多转录本显著相关，尤其是蓝藻，这表明细菌在 SA 中的代谢活动与 LA 中蓝藻的生物量密切相关，通过研究 SA 中的细菌代谢活动可能预测 LA 中的蓝藻代谢。
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《水生态学杂志》
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