科研 | ISME：短暂的高温暴露改变了沿海浮游植物群落

编译：I AM spring，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

预计本世纪平均海表温度将上升4°，在未来的更暖的海洋中，海洋浮游植物和细菌群落组成，生物化学速率以及营养相互作用都将发生变化。热试验通常利用恒定温度，然而，天气和水文状况会导致海洋温度在昼夜循环和多天内波动。

本研究在春季、夏季和秋季从加州沿海水域收集浮游植物，在现在和未来的平均温度下，利用恒定或在48h周期内波动的热处理培育浮游植物群落。通过基因测序分析，除了培养温度超过10年本地热数据记录的最高温度外，每个季节的微生物群落都是一致的。当温度处理超过10年的最大值时，浮游植物群落发生了变化，占主导的是硅藻扩增子序列变异(ASVs)，在较低温度下未见。这些发现表明沿海微生物群落在很大程度上适应了它们目前所经历的温度范围。

另外提出了一个普遍的假设，多年的海洋最高温度限制可能代表一个阈值，超过这个阈值，浮游植物群落可能发生大规模的重塑。未来不可避免的温度升高超过了温度阈值，即使是暂时的，也可能从根本上改变海洋微生物群落，从而改变它们所介导的生物化学循环途径。

论文ID

原名：Transient exposure to novel high temperatures reshapes coastal phytoplankton communities

译名：短暂的高温暴露改变了沿海浮游植物群落

期刊：ISME

IF：9.493

发表时间：2019.09

通讯作者：David A. Hutchins

作者单位：南加州大学

实验设计

用于试验的地表水是从南加州湾收集的。在2016年9月（夏季），2016年11月（秋季）和2017年5月（春季）进行季节性采样。分别在20.6°，16.5°和16.1°的地表水温下收集的微生物群落（表1）。利用100µm网孔膜过滤去除浮游动物。初始样品和培养-试验装置使用的水来自所有收集瓶中的水。剩余的表面水利用0.2µm重力过滤用于后续稀释。

利用生成热性能曲线（TPCs）来测量每个季节浮游植物群落对整体温度的响应。最初的海水分成8-10个温度处理，温度范围在10到32°C之间。由于浮游植物群落是混合群落，因此使用体内Chl a荧光法计算了所有温度下浮游植物群落的生长速率:

在此等式中，μ是每天分部数，F₀和F₁是在Turner AU-10荧光计上分别在稀释期开始和结束时测量的原始荧光单位值。t是两次测量之间的天数。我们将TPC生长数据与Eppley - Norberg模型进行拟合，以预测每个群落的热极限和最佳生长温度。我们还利用了该模型估算了不同热环境下浮游植物群落生长速率。

此外，我们模拟了恒定和波动温度下的当前和预测的未来地表水温(Table 1).目前的温度设定与收集时的现场温度相匹配，作为我们的试验对照。未来气温升高4℃(春季和秋季)或5℃(夏季) (表1)。两种波动温度处理的平均值与恒定温度处理的平均值相同，但是它们在高于平均值(+4°C)和低于平均值(- 4°C)的冷相之间交替，每24小时依次出现一次，产生一个48小时的完整热循环(图S1)。

本研究测定了颗粒有机碳(POC)，颗粒有机氮(PON)，颗粒有机磷(POP)，叶绿素总量，提取的Chl a和体内荧光和总放射性(TA)。从每个样本中提取基因组DNA进行扩增子测序。并使用Phyloseq和RStudio分析微生物多样性。

结果

热响应曲线显示，三个试验的季节最高温度至少比10年记录的最高温度高6°C(图1)。春季群落的体积增长率直到32°C才降至0(图1a)，夏季(图1b)和秋季的生长速率(图1c)在最高测试温度(30°C)下仍然最大。每个季节群落的最高生长速率在26℃或以上(图1)。

图1 叶绿素a荧光定量热性能曲线计算了季节混合浮游植物的群落变化。a 春季b夏季，c秋季时。拟合线表示Eppley - Norberg温度模型。竖线总结了10年的季节温度数据，其中深色实线为平均值，虚线为标准差，实线红线为最高记录温度。

在春季试验中，使用POC计算的在温度波动（12–20°C）下的增长率低于常数（图2a，p = 0.03），但是这种差异并没有反映在BSi-derived的硅藻生长速率上(Fig. 2d)或BSi:POC 比率上(Fig. 2g)。在夏季，温度在(22-30°C)波动下生长速率(图2b)显著高于恒定温度(21°C, p= 0.004)和温度在波动17-25°C下的生长速率。在夏季BSi-derived的生长速率在未来恒定温度处理组高于其他处理组(p< 0.05)。在秋季，温度处理对POC或BSi-derived的生长速率没有影响(图2c, f)，但BSi:POC比其他处理显著高(图2i, p< 0.05)。其他生物化学参数相对不受温度控制试验的影响。颗粒物C、N、P、Chl a含量、固碳率比值是可变的，但各季节试验处理之间无统计学差异(图S3)。

图2 .以有机碳(POC, a-c)变化确定群落增长率，以BSI (d-f)作为硅藻特异性生长速率，均在14天的生长。g−i将BSi与POC的比值作为各处理中硅藻相对丰度的指标。两个处理之间的统计学显著性(p< 0.05)用星号表示。显著处理(p <0.1)用p值表示，误差条表示标准差。

采用rRNA-基因扩增子测序方法，评估了不同温度处理对浮游植物群落的影响。在每个试验中，主坐标分析(PCoA)的前两个坐标轴能够解释27.7%到32.4%的微生物群落变化，并且通过变异方差分析(permutational ANOVA)检测到，每个研究至少在两个处理之间有显著差异(图3)。在所有处理中，细菌序列占回收扩增子的大部分(图4a)。在原始样品中，叶绿体16S rRNA基因序列主要属于微核生物，在春季和秋季试验中硅藻占主导地位(图4a, b)。

图3 主坐标分析(PCoA)，a春天，b夏天，c秋天。

所有试验中大部分微生物属于Alpha和Gammaproteobacteria和Bacteroidetes (图4b)。在春季试验中，在恒定处理和波动处理中没有检测到在群落组成上的差异(Fig. 4b)，而Alphaproteobacteria和blueobacteria在秋季有显著差异 (p < 0.05)。夏季试验恒温处理和波动处理之间存在较大的差异。例如，夏季在未来温度波动处理与现在温度不变和现在温度波动处理相比， Alphaproteobacteria相对丰度下降(p < 0.05)。这些细菌主要是由Hyphomonadaceae和Rhodobacter-aceae的共生性异养菌组成(表S4)。Planctomycetes 在未来温度波动处理中也有增加。在夏季试验中，相对于现在温度波动处理和现在温度恒定处理，Gammaproteobacteria的相对丰度也降低了(p < 0.05)。同样，在夏天，任何温度控制都会引起两种占优势的细菌ASVs来降低它们的相对丰度。硅藻门是试验中最丰富的真核浮游植物，但也发现了一些早生植物(图4b)。对18S序列进行了筛选，以确定是否存在甲藻，以及是否存在未通过预滤波去除的后生食草动物(图S6)。除了在最初的样本中，特别是在春季试验中，这生物都没有被发现。在春季试验中，桡足类(可能是无节足类)占了初始序列总数的35%(图S6)。在夏季试验中，早生植物现在温度恒定处理条件下比其他处理多。

图4. a rRNA序列主要代表异养细菌和两个主要的自养浮游植物功能组。细菌(黑色)、硅藻(灰色)和微真核浮游植物(浅灰色)。b利用16S rRNA基因序列鉴定门类水平(变形杆菌)的丰度。

在每个试验中，浮游植物群落都有一个或两个占主导地位的ASVs，它们构成了大多数的光自养群落。在春季试验中，未培养的Pseudo-nitzschia sp. (asv9) 和 Minidiscustrioculatus (asmall, unicellular, centric diatom;asv2) 是丰度最高的。Pseudo-nitzschia (asv105; Fig. S7A; Table S6)和Pseudo-nitzschiaamericana菌株UNC1412 (NCBI accession number KX229689.1) 序列完全相同。同样的Minidiscus trioculatus ASV (asv2) 是各秋季处理组中最丰富的浮游植物(图5b、图S7B)。在夏季试验中，温度当前不变和波动的处理在很大程度上都是由一个ASV控制的，与微真核浮游植物(asv1)相匹配的微真核浮游植物(asv1)，属于基底层硅藻，硅藻-植体。在较温暖的、未来温度不变的处理中，Chaetoceros simplex (asv8)硅藻被另一种硅藻ASV Arcocellulusmammifer (asv4)所取代(Figs. 5b, S5)。asv4序列属于Minutocellus属(图S7C，表S6)。由于Arcocellulus和Minutocellus的亲缘关系非常密切，使用plastid 16S rRNA序列标识来分配其分类。使用DESeq2测试差异丰度，将所有处理与当前的恒定对照处理进行比较。然而，一般来说，这些处理之间占主导的ASVs(细菌的>10%和真核浮游植物的>5%)没有明显变化。Rugeria (asv31)在春季波动处理组中增加(Fig. 5a)。夏季主要向Chaetoceros-主导的 (未来恒定温度) 和 Arcocellulus-主导的 (未来恒定温度)转变(Fig. 5b)。

图5 扩增子序列变异(ASVs)组成热图。样品中a>10%的为细, b>5%为类硅藻，c类微真核浮游植物。三角形表示给定ASV与对照组相比差异丰富的处理组。

讨论

在本试验中，POC和BSi-测定的生长速率在恒定和波动处理之间没有一致的差异。在夏季和秋季(分别为26℃和20℃)的未来平均温度下，我们确实观察到硅藻(BSi)与POC的比值在恒定和波动条件下存在显著和接近显著的差异。绘制最终稀释系列(3天)的这些比率表明，在夏天和秋天的试验中，未来温度常数处理的BSi相对于POC积累得更快，而在未来温度波动处理中则相反(图S9B, C)。当拟合数据的一条直线的斜率在未来恒定温度是未来波动处理的6.5倍时(图S9B)，这种差异在夏季试验中尤为明显。

我们的试验设计旨在模拟气温变化对沿海地区初级生产者的影响。除了短暂的春季外，营养贫乏的，新的初级产量通常依赖于周期性和短暂的Ekman上涌。在试验中，低叶绿素，微真核生物主导的初始群落转变为高叶绿素，主要是硅藻主导的群落，营养添加后观察到的群落在每个季节都是不同的。尽管春秋季和秋季的结果相似，但它们的差异可能是由于收集样本时群落的差异造成的。多年来每月取样一次的现场微生物群落与取样前6个月和取样后6个月的微生物群落最不相似。秋季和春季的样本是相隔6个月采集的，所以在得到不同的结果不足为奇。

当然，正如我们的研究结果所表明的，这些不同的春季和秋季群落结构可能在很大程度上是它们近期不同热温度所导致。这三个试验中的细菌群落与硅藻相关的细菌群落一致。例如，来自于Pseudophaeobacter(asv16), Phaeobacter (asv18), and Rugeria (asv31, Alphaproteobacteria) as well asAlteromonas (asv3, Gammaproteobacteria) and Lewinella (asv32 and asv26,Bacteroidetes) 的ASV。这些属是共生异养生物。

在本试验中，每个季节富集的浮游植物都与其他季节采集的浮游植物不同。通过这些试验，我们反复观察到，孵化温度(无论是波动的还是恒定的)落在当今的标准范围内，刺激了密集的浮游植物繁殖，而在所有处理中，这些繁殖在分类上基本上是不可区分的。即使社区在周期性暴露于接近最高温度(17-25°C)的条件下生长，主要初级生产者也没有改变。只有在超过历史最高温度(过去10年测得的最高温度为25.3℃)的高温(26℃)下持续培养，初级生产者群落才会发生变化。这些数据表明，即使是短暂的(以周为单位)达到或略高于历史最高温度，也会导致主要浮游植物发生重大变化，即使在营养充足的条件下也是如此。这还不包括海洋/大气模型所预测的长期平均气温升高的影响。我们的观察表明这些新的群落是稳定的，并且仍然能够维持它们在海洋生态系统中的作用。这也与其他海洋生态系统的观察结果相一致，在这些生态系统中，短期的热浪所造成的生态后果超过了较温和、较长期的变暖。这些反常条件的影响似乎不可逆转地把生态系统从一个以海带为主，有大量温带鱼类的群落转变为一个底栖、草皮藻和热带鱼的群落这些物种在热浪来袭之前是不存在的。

最近的研究用海洋桡足类对热环境进行了试验性的操纵，揭示了这一过程是如何发生的，并假设先前暴露于热温度使个体更容易受到短期极端高温事件的影响。考虑到微热曲线的典型形状以及热波动对较高温度下生长速率的不平等影响，这是有意义的，因为在较高温度下，热波动常常会降低最佳和致命的热极限。随着海洋微生物生态系统持续变暖，结合了变暖和波动的短期热浪可能会变得更加常见。这项研究表明，遭遇高温可能导致占优势的浮游植物分类群发生广泛的变化。在当地经历过的高温开始可能有助于划定一个阈值，在这个阈值中，气候变暖影响了微生物群落的组成。这一阈值可能受到其他共同压力因素的调节，如养分和放牧、高温暴露的持续时间，以及可能受到某一海洋区域温度范围的影响。在这里，我们提供了一个假设，阈值可以作为一个起点，测试在海洋变暖的背景下，对当今群落结构和功能的极限。

本研究通过一系列的培养试验，研究随季节变化加利福尼亚沿海浮游微生物群落对温度变化的反应。采用恒定和波动的温度，利用现在和预测未来的手段。结果表明气候变暖影响浮游植物的生长和生理机能。另外，多年的海洋最高温度限制可能代表一个阈值，超过这个阈值，浮游植物群落可能发生大规模的重塑。本研究为未来气候变暖对沿海浮游微生物群落的影响提供了重要参考和见解。

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