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期刊：International Journal of Molecular Sciences
影响因子：6.208
发表时间：2022
样本类型：水样
客户单位：中国水产科学院
一、研究背景
全球人口的不断增长增加了对粮食的需求，水产品是近年来不断扩大的基本食物来源。水产养殖环境蕴藏着复杂的细菌群落，对养殖物种的生长和健康至关重要。顶端捕食者占据食物网顶部的位置，并在生态系统稳定性方面发挥关键作用，因此顶端捕食者经常被加入到水产养殖池塘中。然而，探索顶端捕食者对浮游细菌群落组成和功能的影响，以及群落聚集的潜在机制的研究非常有限。研究旨在调查受顶端捕食者物种影响的水产养殖系统中浮游细菌群落的聚集动力学，以及破译顶端捕食者干扰引起的浮游细菌种群变化的机制。
二、实验设计
本研究对8个包括中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis）和日本沼虾（Macrobrachium niponensis）的养殖池塘进行了研究。其中4个池塘包含作为顶端捕食者的鳜鱼（Siniperca chuatsi）（PC组），另外4个池塘没有顶端捕食者（MC组）。在水产养殖过程中，在四个阶段从每个池塘采集五个水样并混合，每个样本2L水样滤膜收集细菌细胞，从剩余水样中测定环境因素。随后开展DNA提取和16S rRNA V4-V5区域测序并进行数据分析。
三、实验结果
1、浮游细菌α多样性
计算了四个α多样性指数来评估浮游细菌群落。在不同培养阶段的浮游细菌种群之间，或在MC和PC池塘之间，没有观察到任何α多样性指标的显著差异。结果表明，浮游细菌群落的多样性在养殖过程中趋于稳定，顶端捕食者干扰对其没有明显影响。
2、有无顶端捕食者干扰的不同培养阶段浮游细菌群落的变化
Bray–Curtis距离的PCoA表明不同培养阶段的浮游细菌群落分别聚集在一起（图1a），捕食者顶端干扰及其相互作用均显著影响浮游细菌群落。门水平的细菌的相对丰度如图1b所示。变形菌门是最主要的门，其次是拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门，随着培养的进行，不同门的细菌有着不同的变化。结果表明，顶端捕食者的干扰并没有显著改变养殖过程中的浮游细菌组成，但它确实影响了细菌丰度的变化幅度。
使用随机森林模型，确定细菌群落的组成与培养阶段和顶端捕食者干扰密切相关（图1c）。将浮游细菌群落总体变化的结果与随机森林模型分析的结果相结合，表明顶端捕食者显著改变了低丰度物种的丰度，但它们并没有显著改变总体群落组成。
图1 浮游细菌群落随培养阶段和捕食者分布顶点的变化
3、浮游细菌群落的环境适应
测量了八个环境因素，以评估培养阶段和顶端捕食者的影响。MC和PC池塘中浮游细菌群落的65.89%的变异可由选定的环境因素解释（图2a）。除溶解氧、亚硝酸盐和总磷外，大多数环境因素与浮游细菌群落之间存在显著相关性。不同培养阶段的浮游细菌群落被环境因素明显区分。从第一阶段开始，水温与浮游细菌群落呈正相关，而氨和pH值与菌群成负相关。此外，硝酸盐和TN浓度分别与第二阶段和第三阶段至第四阶段的浮游细菌群落呈负相关。
此外，还研究了关键属的相对丰度与环境因素之间的相关性（图2b），利用环境广度研究了浮游细菌对环境因素的响应，PC池塘中浮游细菌群落的环境广度比MC池塘大（图2c）。这一结果表明，在具有捕食者干扰的养殖池塘中，浮游细菌群落具有更强的环境适应能力。
图2 浮游细菌群落的环境适应
4、顶端捕食者影响的浮游细菌群落组成机制
基于零模型估计了确定性过程和随机过程对MC和PC池塘浮游细菌群落聚集的相对贡献，群落聚集以随机过程为主（图3a）。与MC样本相比，确定性过程更有助于PC池塘中浮游细菌群落的聚集（图3b）。均质扩散是一个随机过程，是形成MC和PC池塘中浮游细菌群落的主要生态过程，PC样本中漂变的相对贡献率显著低于MC池塘中的漂变贡献率（图3c）。这些发现表明，顶端捕食者干扰通过改善环境过滤和减少漂移，增强了确定性过程对浮游细菌群落聚集的相对贡献。
图3浮游细菌群落的聚集受到顶端捕食者的影响
5、顶端捕食者对浮游细菌生态功能的影响
利用FAPROTAX软件预测了浮游细菌群落的功能特征，并确定了各组之间的显著差异。在MC和PC池塘中，与化能异养相关的功能在浮游细菌群落中占主导地位，第二阶段的浮游细菌群落的发酵功能显著提高（图4a）。
Tax4Fun2的KEGG功能分析结果（图4b）表明，随着捕食者干扰的加剧，养殖池塘中浮游细菌的功能冗余减少。此外，βNTI与MC池塘中浮游细菌的FRI变化显著正相关，而PC池塘中则无明显相关（图4c），这意味着生态群落过程对具有顶端捕食者的养殖池塘中浮游细菌的功能影响很小。
图4 受顶端捕食者影响的浮游细菌群落的生态功能
6、顶端捕食者对浮游细菌群落稳定性的影响
为了调查水产养殖池塘中的浮游细菌模式，构建了MC和PC样本的MEN（图5），这两个MEN之间的拓扑特性差异表明，它们与PC池塘中的浮游细菌略有关联。所有指标都表明，在没有捕食者顶端干扰的养殖池塘中，浮游细菌的MEN具有较高的稳定性。
图5 浮游细菌群落的稳定性受到顶端捕食者的影响
7、顶端捕食者形成细菌浮游生物的机制
水温、pH、氨和TN与MC池塘浮游细菌的βMNTD显著相关，同时，水温、氨、氮和硝酸盐与PC池塘中浮游细菌的βMNTD显著相关。其中，只有硝酸盐浓度与PC池塘中浮游细菌的系统发育差异显著相关，而MC池塘中则没有相关关系（图6a）。
基于数据构建了一个概念框架来描述有和没有顶端捕食者的水产养殖池塘中浮游细菌群落的变化过程（图6b）。最终，具有顶端捕食者的养殖池塘中的浮游细菌表现出较高的环境适应能力，但功能冗余度和群落稳定性较低。
图6 具有顶端捕食者的浮游细菌群落的形成机制
四、研究结论
研究结果表明，甲壳动物养殖池塘不同养殖阶段浮游细菌群落的组成和功能存在显著差异。有捕食者的养殖池塘提供了更好的养殖环境。在顶端捕食者干扰下，硝酸盐在调节浮游细菌群落聚集的随机过程和确定性过程之间的平衡方面起着决定性作用，同时，顶端捕食者导致了更广泛的环境适应，但功能冗余度和群落稳定性较低。
参考文献
Apex Predators Enhance Environmental Adaptation but Reduce Community Stability of Bacterioplankton in Crustacean Aquaculture Ponds. Int J Mol Sci. 2022;23
Doi 10.3390/ijms231810785
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