科研 | Nature子刊（IF：14.919）: 海洋上部两极藻类微生物群落的生物地理分异

编译：微科盟鼻涕，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读  

       真核浮游植物对全球每年至少20%的碳固定负有责任。它们的多样性和活性是由原核生物作为复杂微生物群落的一部分的相互作用形成的。虽然先前的研究报道了它们本底物种多样性的差异，但是对环境条件造成的两极间的大规模物种群落组成差异的了解仍然有限。该研究通过南极到北极浮游植物的宏转录组和微生物rDNA测序，表明了极地和非极地上层海洋之间的环境差异最强烈地影响了藻类微生物群落的生物多样性和基因活性的大尺度空间格局。藻类微生物群落中共存微生物的地理分化可以很好地用其β多样性的纬度温度梯度和相关断点来解释，平均断点为14°C ± 4.3，分隔了寒冷和温暖的上层海洋。此外，随着全球变暖对海洋上部温度的影响，预计了β多样性的断点将显著向两极移动，说明了藻类微生物群落的突变可能是由人为气候变化引起的。

 论文ID

 原名：The biogeographic differentiation of algal microbiomes in the upper ocean from pole to pole

 译名：海洋上部两极藻类微生物群落的生物地理分异

 期刊：Nature Communications

 IF：14.919

 发表时间：2021年9月16日

 通讯作者：Thomas Mock

 通讯作者单位：东英吉利大学环境科学学院

 DOI号：10.1038/s41467-021-25646-9  

实验设计

结果

1. 从南极到北极的上层海洋藻类微生物群落的宏组学资源

       本研究从北冰洋、大西洋和南大洋的叶绿素a最大层收集了三组不同的组学数据集（图1A）：（1）79×真核宏转录组，（2）57 × 16S，（3）54 × 18S rDNA扩增子（V4区域）数据集作为82个总样本的子集（图1A）。测序工作由美国能源部联合基因组研究所（JGI）完成，这是JGI社区科学项目532/300780的一部分（变化的海洋：北冰洋的真核浮游植物群落）。

该数据集由4个单独的测序数据组成：ARK-XXVII/1（PS80）2012年6月17日至7月9日；2011年4月至5月；ANT-XXIX/1（PS81）2012年11月1日至24日，ANT-XXXII/2（PS103）2016年12月20日至2017年1月26日，涵盖了从格陵兰岛到威德尔海的大西洋横剖面（71.36 °S到79.09 °N）。

      根据标准JGI协议，79个真核生物宏转录组测序（Illumina HiSeq-2000仪器）平均深度为251 Mbp。这些数据由JGI的综合微生物基因组和微生物组（IMG）流程处理。为了估算微生物多样性，我们生成了16S和18S rDNA 扩增子数据集（Illumina MiSeq），平均测序深度分别为71.8 Mbp和52.5 Mbp，平均每个样本分别包含393,247和142,693条序列，为18S rDNA分类建立了一个定制的生物信息学流程，包括根据不同真核微生物的估计基因组大小将18S rDNA的拷贝数正常化的模型（补充图1，2）。所有序列数据集的稀疏性分析表明，三种类型的数据集都达到了充分的采样（补充图3）。在我们的宏转录组数据集中，共预测到36,354,419个非冗余基因，其中约31%（11,205,641个基因）属于Pfam结构域。所鉴定的原核生物和真核生物类群大多分布在20多个站点，并且均匀度为J ≥ 0.5（补充图4，5）。18S数据集中，只有22%的数据集能够划分为物种级别的分类单元（补充图4a，6c），而16S数据集能够划分为属级分类单元的数据集占47%（补充图4b，补充图6d）。该宏转录组包含36,354,419个非冗余基因，其中近28%可以被注释为真核起源，31%与Pfam数据库中已知的蛋白结构域具有同源性。

      所有序列数据都伴随着取样深度的温度、盐度、溶解的无机硝酸盐/亚硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐的测量（图1B-E；补充表1）。两半球的温度范围约为-1.74至29.02℃，反映了极地至赤道的海洋上层年平均温度分布（图1B）。盐度在31.0到36.9 PSU之间变化。南大洋溶解无机养分（μ mol L−1）浓度最高，约30°S/N时所有养分含量最低（图1C-E）。基于规范对应分析（CCA），所有来自宏转录组的Pfams针对这些个体环境变量（补充图6a，b），与每个数据集中的所有其他环境变量相比，确定温度的变化百分比最高。温度也呈显著正相关（R2 ≥ 0.63；p值 ≤ 0.001），具有原核和真核生物多样性（Shannon指数）（补充图7）。

图1. 采样地点和环境数据。（A）宏转录组测序工作站（绿色）和16和18S rDNA扩增子测序站（红色）。（B）纬度与温度（摄氏度）。（C）纬度与硝酸盐和亚硝酸盐浓度的关系。（D）纬度与硅酸盐浓度。（E）纬度和磷酸盐浓度。

2. 表达基因与微生物类群的共现网络

       第一个来自叶绿素a最大层的南极到北极真核生物宏转录组（图1A）使我们能够深入了解全球范围的海洋上层环境条件如何驱动真核生物群落基因表达的生物地理分化。为了确定哪个环境变量是基因共表达网络中可能的纬度分化的主要原因，我们应用了基于Pfam基因计数的加权基因共现网络分析 (WGCNA)。我们的WGCNA揭示了两个基因共表达网络仅基于正链接（图2A，补充表5）。基于WGCNA软件包进行了相关统计分析。这涉及到将每个网络的“特征基因”（WGCNA使用的术语，是网络的第一个主成分）作为该网络的代表，从而进行网络与环境变量的相关性分析，如图2B所示。基于这项工作，温度被确定为两个网络的主要驱动因素，这证实了我们的CCA分析的结果（见上文和补充图6）。盐度与温度呈显著相关，而硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐等主要无机养分与温度和盐度呈显著负相关（p值 ≤ 0.001）。以蓝色标记的基因共表达网络（N = 1614 Pfams）与温度有很强的正相关（相关系数为+ 0.72；p值 = 2e-12)，因此，被认为是温暖网络。蓝绿色标记的网络（N = 2369 Pfams）与温度有很强的负相关（相关系数为-0.8；p值= 1e-16），因此，被认为是寒冷网络。寒冷网络中有7,172,786个基因，平均长度为757 bps；温暖网络中有4,954,085个基因，平均长度为655 bps。寒冷网络中转录本平均GC含量为51%，温暖网络中为52%。可以为寒冷网络的83,1540,849个读长和1,239,584,159个读长注释Pfam域。灰色的未注释Pfams（N = 2 Pfams）没有形成共表达网络，只和维度有显著正相关（+ 0.39；p值= 8e-04）。

      使用来自两个网络的Pfams进行基因富集（GO）分析（图2C；补充图8）显示，总的来说，寒冷网络富集了几个与催化活性有关的分子功能，特别是作用于蛋白质和RNAs。在温暖网络中富集的细胞成分包括线粒体、核糖体、非膜结合细胞器和包膜。

      图3A，B所示为每个网络跨所有站点的特定节点的Pfam丰度映射。寒冷网络的Pfams主要从南大洋和北极招募（总数86.7%），Pfams在30° N/S之间的丰度最低（总数13.3%）。温暖网络的Pfams主要来自热带和温带北大西洋（48.1%）。有趣的是，从北极招募的Pfams（总数38.7%）略多于从南大洋招募的Pfams（总数13.2%）。

      为了揭示从北极到赤道的环境梯度是如何影响微生物真核生物和原核生物之间的关联的，应用了与真核生物宏转录组相同的WGCNA分析，对log10转化的（根据基因组大小，补充图2）标准化18S和16S rDNA序列丰度进行了分析。真核生物的物种水平（18S）和原核生物的属水平（16S）序列的归一化丰度估计共现。与基因表达共现分析相似，我们获得了真核生物和原核生物之间与温度和纬度相关性最强的两个主要网络（图4A，B）。因此，与基因共表达网络相似，我们鉴定了一个寒冷网络（蓝色；N = 51种；相关系数 ≤ 0.79；p值 ≤ 1e-10）和一个温暖网络（蓝绿色；N = 70种；相关系数 ≥ 0.83；p值 ≤ 3e-12）的真核和原核共存微生物（补充表2）。与宏转录组不同，没有未注释的16S和18S序列。在寒冷网络中，青绿藻（Prasinophytes）的绿藻种类丰富，Prymnesophyte Phaeocyctis cordata与该群其他物种连接数最高（补充表2）。原核生物群落有几个高度连接的细菌类群，包括适应寒冷的物种，其中一些与硅藻共存（如Glaciecola）。该集群中的两种细菌（Herbaspirillum，Bradyrhizobium）具有固定大气中N2的能力。虽然Coscinodiscophyceae在北极的寒冷水域中特别丰富，但只有一种（Actinocyclus actinochilus）是该群集的一部分。来自温暖水域的网络在物种组成和共现模式上有很大的不同。与寒冷网络不同的是，蓝藻是原绿球菌和聚绿球菌中连接最紧密的类群之一。在这一群真核生物中，小而多鞭毛的异孔植物是最具多样性的一类。此外还有鞭毛藻类、定鞭金藻和浮游植物。在这一簇中，许多高度连接的异养细菌与颗粒（如土壤、生物膜）有关，两个类群具有含有细菌叶绿素的光异养物种（Erythrobacter，Roseivivax）。这一簇既不含硅藻，也不含青绿藻。共现网络中共有8类物种，即γ -变形菌门、α -变形菌门和黄杆菌门。完整的物种类别列表可在补充表2中找到。

       图4C、D所示为每个网络节点特异性16和18S丰度的生物地理图。这表明，90.01%的寒冷网络序列是从北冰洋60°以北招募的，而温暖网络的生物地理招募模式与之相反（78.25%来自< 60 °N的站点）。

      图2. 真核生物宏转录组蛋白家族的共现网络及其基因本体论。在蛋白质家族（Pfams）的log10比例的基因计数上，发现了两个网络:（A）蓝色=温暖（n = 1614），蓝绿色=寒冷（n = 2369）。（B）Pfam蛋白家族数据集共现分析发现了两个网络，一个是蓝绿色（冷），一个是蓝色（暖），还有一个是灰色。网络与环境参数的相关热图。颜色对应相关值，红色为正相关，蓝色为负相关。每个方框中的值对应上括号中的皮尔逊相关系数值和下括号中的p值。（C）基因本体论（GO）分析两个共现网络的Pfam蛋白家族数据集。

       图3. 每一个蛋白家族（Pfams）网络节点特异性丰度的生物地理制图，覆盖从南极到北极的所有站点。包含单个宏转录组位点序列的Pfam对相应蛋白家族共现网络的贡献。气泡按占总丰度池的百分比比例伸缩。（A）冷共生网络的Pfam生物地理学。（B）暖共生网络的Pfam生物地理学。丰度以每个站点在总序列库中的贡献百分比表示，圆圈由小到大，由蓝到红。

       图4. 16和18S rDNAs共现网络，它们的生物多样性和每个分类学网络节点特异性丰度的生物地理图，从南极到北极。在18S rDNA物种水平和16S rDNA属水平的log10转化丰度上，发现了两个网络:（A）寒冷（n=51）和温暖（n=70）。物种名称及种类名称的清单见附表2。（B）18S rDNA种水平和16S rDNA属水平共现分析，发现两个网络，蓝绿色（冷）和蓝色（暖）。网络与环境参数的相关热图。颜色对应相关值，红色为正相关，蓝色为负相关。每个方框中的值对应上括号中的皮尔逊相关系数值和下括号中的p值。（C）寒冷16/18S共现网络的分类系统生物地理学。（D）温暖16/18S共现网络的分类系统生物地理学。丰度以每个站点在总序列库中的贡献百分比表示，圆圈由小到大，由蓝到红。

3. 表达真核生物基因和微生物类群的纬度分化（β多样性）

       正如表达基因和类群的共现分析所揭示，极地和非极地海洋上层水域之间的环境差异可能是导致藻类微生物群落地理分离的最主要原因，通过计算所有站点的区域和地方序列多样性（β多样性）之间的比率来检验这一结果，该比率为跨纬度群落的遗传分化提供了一种衡量标准。寒冷温暖共现网络的划分表明，极地和非极地海洋上层生态系统之间的遗传分化存在主要断点，温度和纬度可能是主要驱动因素。

       为了检验这个假设，我们为每个数据集计算了一个存在-缺失矩阵。用beta.pair（一个来自betapart R包的函数和一个由Sørensen设置的不同指数）对存在-缺失矩阵展示多位点不相似性。然后根据所有环境变量绘制这些值，使我们能够获得断点可能位于的值范围。在这些可能的断点中寻找具有最小均方误差的断点。断点的检测使用了所有环境变量，包括营养和盐度，因为它们对微生物的多样性和活性（补充图9、10）有影响（图2B、4B、5A, B）。只有强烈的纬度梯度在β多样性上显示出显著的断点，这在很大程度上区分了寒冷和温暖的微生物群落及其相关代谢（图5A）。对于宏转录组，断点大约在18.06 ℃（图5A），16S在约9.49 °C（图5C）、18S在13.96°C（图5D）确定了断点。真核浮游植物及其共生细菌的分类和功能β多样性的平均温度为14℃ ± 4.3。由于数据集是南极到北极的，宏转录组数据使我们能够识别断点的地理位置（图5B）。这两个断点很大程度上区分了极性海洋和非极性海洋（图5B）。

图5. 多样性断点分析。

     （A，B）作为宏转录组数据集的一部分表示蛋白质家族的断点。（C，D）表示18S rDNA和16S rDNA数据集的断点。这些数字对应的样本位置如图1A所示。y轴表示所有站点的beta多样性。A、C、D中的x轴代表温度，B中的x轴代表纬度。水平线表示beta多样性中的断点。对于（A）中的Pfam蛋白家族数据集，断点为18.06℃，p值为3.741e-10。在B中，断点位于改变纬度52.167度（纬度37.833度），p值为2.225e-07。对于（C）中的16S rDNA数据集，断点为9.49℃，p值为1.413e-4。对于（D）中的18S rDNA数据集，断点在13.96℃，p值为8.407e-11。

  4. 跨北大西洋β多样性断点的地理变化预测

       全球海洋是一个重要的热量汇，在过去100年里，由于人为产生的二氧化碳，海洋上部变得更加温暖。因此，成层的暖水团向两极扩展。在北大西洋和北太平洋，甚至在北冰洋，这一点特别重要。为了模拟北大西洋变暖如何影响β多样性断点，从而影响藻类微生物群落的局部变化，使用了IPCC第5次评估报告中的一个模型。为了估计21世纪的变化，使用了RCP 8.5 HadGEM2-ES CMIP5，对CMIP5进行了一个历史HadGEM2-ES实验，对预估温度进行了偏差校正。由此产生的断点的变化如图6所示。在这个分析中忽略了气候学中包含海冰的网格盒。模型的预测显示，在未来几十年，就藻类微生物群落多样性变化而言，受影响最大的地理区域是40-60° N之间的地区，其中包括北海和大多数不列颠群岛（图6）。

图6. 基于IPCC的气候变化驱动的β多样性断点模型。

       观测（1961-1990年）和模拟（2010-2099年）在21世纪beta多样性断点阈值的变化。区域显示为红色表示宏转录组（＞18.06℃），橙色表示18S （＜18.06℃，＞13.96℃），黄色表示16S（＜13.96℃，＞9.49℃），蓝色表示1961 - 1990年HadISST数据集观测的温度＜9.49℃。HadGEM2-ES CMIP5模拟的温度分别为2010-2039、2040-2069和2070-2099年的30年平均值。HadGEM2-ES的温度已经校准到HadISST的观测数据，如方法所述。黑色实线表示15°C，虚线表示海洋上层平均温度14°C。

讨论

       该研究提供了证据，表明极地和非极地上层海洋环境条件的差异可以解释共发生序列划分为两个主要的藻类微生物群落（图2-4）。基于β多样性的个体序列的纬度分异主要与上层海洋温度的纬度梯度有关，特别是极地与非极地海洋之间的过渡带（断点）（图5），证实了WGCNA分析结果（图2-4）。然而，包括必需养分在内的许多其他环境参数与温度和纬度呈显著负相关或正相关，表明它们在海洋上层藻类微生物群落的生物地理分化中也发挥着重要作用。无机营养物质与温度的负相关（图2B、4B）反映了：从全球和年平均来看，较寒冷的上层海水通常营养丰富，而较暖的上层海水往往营养贫乏。因此，由纬度温度梯度造成的上层海洋物理结构的差异（例如季节性混合和永久分层的海水）的主要原因可能是极地（寒冷）和非极地（温暖）藻类微生物群分离。与基因表达网络相比（图3A、B），两种分类网络从极地海洋和非极地海洋招募序列的差异更大（图4C、D）。考虑到在宏转录组中表达的基因和Pfams的数量和冗余度显著高于差异较大的16和18S序列数据集，这种数量上的差异可能导致了纬度划分程度的差异。与南大洋（13.2%）相比，来自北极（38.7%）的Pfams对温暖网络的招募更强的一个原因可能是取样的北大西洋洋流（NAC）是墨西哥湾流向北的延伸，携带了来自低纬度的微生物（图1）。相比之下，南大洋的锋面系统是一个边界系统，不太容易使微生物物种从低纬度向极地移动。因此，较少的南大洋Pfams被招募到温暖共现网络中。

      尽管过去有几项全球范围的研究，其中最重要的是塔拉海洋，我们的研究扩展了这项工作，包括极地海洋和真核浮游植物及其共存的原核微生物。此外，就我们所知，这是第一个基于纬度β多样性揭示不同环境条件下海洋微生物群落遗传分化的研究。因此，我们的研究结果为了解变化的环境条件与生物多样性变化（β多样性的断点）如何在大规模环境波动和干扰下相互关联提供了见解。这一知识对于预测全球变暖的后果至关重要，因此可以指导环境管理。以前的大多数研究比较了不同纬度的本地物种多样性（α多样性）。然而，温度也被认为是解释当地群落物种组成差异的最重要的变量之一。

       海洋生物地球化学省（朗赫斯特省）的概念往往与上层海洋微生物群落的局部差异及其相关的生物地球化学活动（如营养和碳循环）相吻合。虽然我们的研究证实了极地（ICE，SPSS）和非极地朗赫斯特省（STSS，NHSTPS，SHSTPS）之间的藻类微生物群落的大规模遗传分化，但没有确定任何非极地朗赫斯特省之间的地理分化。可以说，没有比极地和非极地上层海洋之间的环境差异更大的了，这主要是由靠近两极的强烈季节性、总体低温、海冰的存在以及季节混合的差异造成的。因此，与非极性海洋环境差异相比（如STSS，NHSTPS，SHSTPS），极地和非极性海洋环境差异可能对藻类微生物群落及其表达基因的多样性产生更强的地理差异。由于北冰洋和南大洋的整体环境条件没有显著差异，这可能解释了为什么我们没有看到两个极地海洋之间的藻类微生物群落的差异。因此，寒冷共现簇的Pfams是从两极海洋中招募的（图3）。催化活性在寒冷Pfam网络中的GO丰富度的富集可能反映了在极性条件下旺盛生长的代谢需求。大多数适应低温的微生物优化它们的酶，以增加它们在低温下的催化活性。酶的低温活性的优化通常是由分子结构的不稳定促进的（如活性部位）。GO富集蛋白质和RNAs的催化活性（图2C）表明这些极性微生物群落不仅提高了酶的催化活性，而且提高了修饰RNAs的催化活性。GO在温暖网络中的细胞组分富集（图2C）可能反映了亚细胞室（包括它们的膜）的更替增加，众所周知这在微藻中，主要是由于在更高温度下代谢活动（线粒体中的呼吸）和应激（自由基氧物种）的增加。

基于16和18S rDNA测序的寒冷温暖共现网络的分类学差异，在很大程度上证实了全球海洋上层各纬度区域个体物种生物地理分布的差异。例如，原绿球藻和聚绿球藻与真核微鞭毛虫和纳米鞭毛虫一起，主要在热带和亚热带的上层海洋中占优势。这些类群在温暖网络中占主导地位，与其他类群有显著数量的连接。相比之下，寒冷网络的特点是丰富和良好连接的序列，已知的系统发育群包括冷适应细菌（如Polaribacter，Glaciecola）和微藻，如硅藻（如Actinocyclus actinochilus）和Prymnesiophytes（如Phaecystis cordata）。

有趣的是，之前的两项研究也提出了类似的地理分区，但只是针对浮游植物的生产力以及原核生物的多样性。Behrenfeld等人指出，上层海洋的物理环境影响浮游植物群落的净初级生产力（NPP）。包括极地海洋在内的全球范围内，发现上层海洋温度的差异和跨纬度梯度的分层是NPP分配的主要原因。后者在的NPP在寒冷、营养丰富和高纬度地区较高，在温暖、营养贫乏和永久分层的上层海洋中较低。据估计，两个全球区域之间的NPP分界区年平均约为15°C。该温度与14℃ ± 4.3时真核浮游植物及其共生细菌分类学和功能β多样性断点的平均温度吻合较好。在原核富集的宏基因组和宏转录组的多样性和活性的纬度划分上也发现了类似的分界。因此，我们的数据和这些先前的研究为以下假设提供了支持：将上层海洋寒冷（营养丰富）和温暖（营养贫乏）分隔开来的环境条件，可能由于支撑海洋生产力和全球生物地球化学循环差异的藻类微生物群的纬度分化。

由太阳辐射的季节差异引起的纬度温度梯度，以及海洋上层分层和营养浓度的差异等相关条件，是主要的驱动因素。由于二氧化碳的人为生产导致全球气温升高，海洋显著变暖，藻类微生物群落的空间分布可能会随着地理分界的极移和物种多样性及其基因库的断点的匹配而发生变化。我们对北大西洋的模型显示，由于我们预测该地理区域的冷藻类微生物群落将完全替代，在接下来的大约100年里，40-60 °N之间的区域可能受到的影响最大（图6）。众所周知，在40-60 °N之间的区域营养丰富，因此产量高，特别是北海，当前微生物群落的替代可能会对包括渔业在内的食物网产生重大影响，并对相关行业产生后果。

       总之，我们的研究证实了复杂海洋微生物群落的地方（α）多样性的纬度分布格局，从赤道向极地生态系统显著减少（补充图7）。然而，两极数据集代表了一个更完整的环境变量谱，提供了一个机会，以确定在更大的生物地理区域的α多样性变化中最显著的差异（β多样性）。据我们所知，后者以前从未对海洋微生物进行过估计，尽管这种认识有助于多样性变化的空间尺度，即损失和获得。将β多样性应用于南极到北极的藻类微生物群落首次揭示极地和非极地上层海洋之间的物理化学差异不仅对其多样性的变化有很大影响，而且对其初级生产者的基因表达活性也有很大影响。因此，在两个半球的亚极地海洋中似乎存在着生态边界，这不仅改变了藻类微生物群落的空间尺度（β多样性的断点），还由于全球变暖而向极地方向移动。