|
前言： 分子生态网络分析是一个极具前景的群落生态分析方法，它能够较为轻松的探究出不同环境中的不同微生物物种间的物种作用关系或者物种的共存模式。通过确定整个网络中的具有高连接度的物种或物种在模块内所处的位置，我们可以得到整个网络中的关键物种以及一些较为重要的物种。这一类物种可能对于微生物群落的结构和功能有着一定的决定作用。网络分析方法已经被广泛的应用于各个环境中的微生物群落的研究，在探寻微生物群落的特有属性、结构、功能以及群落的稳定性等方面均有着重要意义。 网络分析近来也被研究人员用于微生物生态理论的验证和群落应对环境扰动的响应研究。在使用乳化植物油修复铀污染的地下水中(Deng Y et al. 2016)，邓晔研究员等作者对修复过程中微生物群落进行了监测，并利用功能基因芯片技术和分子生态网络的方法进行分析。结果发现在修复过程中，网络结构呈现动态变化，在修复初期，网络结构明显复杂，而随着修复过程的进行，乳化油被逐渐消耗，网络结构明显变简单。在这一时序性的网络中，负相互作用或者竞争关系在整个修复过程中均占据着主导因素。这一结果也为理解微生物群落应对环境扰动的响应提供了重要依据。 今天为大家解读的这篇文章，便是利用分子生态网络的分析方法，探究了不同多样性的微生物群落，在应对环境干扰的情况下所表现出的不同稳定性的内在机制。
标题：Biodiversity andspecies competition regulate the resilience of microbial biofilm community 中文标题：生物多样性与物种间竞争调节微生物生物膜群落的恢复力 期刊：Molecular Ecology 年份：2017 第一作者：冯凯，中国科学院生态环境研究中心 通讯作者：邓晔，中国科学院生态环境研究中心 文章简介： 宏观生态系统中生物多样性和生态系统稳定性的关系理论已讨论多年，但将这个理论应用于微生物生态系统中的适宜性实验目前还很少，原因是环境微生物样本复杂度高、物种多样性高、难以处理。因此，探究群落的原位干扰及建立高效可控的微生物群落模式系统是如今微生物组学研究中亟需要解决的问题之一。微生物电解池（MEC）中的生物膜群落有着适中的物种组成和易于处理的性能表征，为我们验证微生物群落中的生态理论提供了理想的模型平台。本文以MEC为模型系统，构建了不同微生物多样性梯度的反应器，探究其生物膜群落在环境pH扰动下的恢复能力与生物多样性之间的关系。结果表明，在宏观特征上，生物反应器模型在pH扰动下，性能表现出了良好的弹性恢复能力。同时，多样性水平高的生物膜群落在功能上可以较快恢复，说明其响应环境干扰时具有更好的恢复性。通过运用分子生态网络分析发现，在恢复时间较长的微生物生物膜群落中，地杆菌(Geobacter)和甲烷短杆菌(Methanobrevibacter)两个优势菌属之间的负相互作用明显增多，意味着关键功能类群对于内部底物资源或空间竞争可能会对生物膜群落的恢复力产生显著影响。这些结果支持了宏观生态系统中生物多样性与生物系统稳定性的相关理论，也表明MEC反应器可以作为模式系统可用于微生物生态学的研究。 方法介绍： 1. MEC反应器的构建以及冲击实验 文章采用单室无膜的微生物电解池反应器，启动具有多样性梯度的A，B，C三组反应器。在反应器性能达到稳定之后，施加pH冲击，将底物的pH由中性降至4.0左右，维持一段时间后恢复缓冲体系pH为中性。随后继续观察反应器性能，并对相应的指标进行监测。每组反应器分别在冲击前、后和恢复后取样，每组6个重复，共计54个生物样本，另外原始污泥提取两个样本进行对照，针对16S rRNA的V4区采用515F和 806R引物进行PCR扩增，扩增产物在Illumina Mesiq测序平台进行测序。 2. 群落多样性与稳定性 本文计算了5种alpha多样性来评价MEC反应器中阳极生物膜群落的多样性情况。丰富度为观测到的物种数，Chao1、Shannon以及Inv_Simpson指数利用R语言中的vegan数据包进行计算。系统发育多样性(PD)基于Faith的方法，对样本中OTU的系统发育关系进行加和。另外，基于UniFrac矩阵利用主坐标分析（PCoA）对微生物群落的结构进行分析。PERMANOVA多元方差分析方法来检验三组微生物群落在不同beta多样性距离矩阵(Bray-Curtis，Jaccard)上的差异性。Pearson、Kendall和Spearman三种相关性分析方法来检验恢复时间以及物种多样性间的相关关系。此外，利用t检验对不同组间的均值进行了显著性检验分析。 此外，分子生态网络分析(MENA,ieg2.ou.edu/MENA)用来探究微生物群落内部物种间的相互作用在应对pH干扰时表现出的差异，利用Spearman相关性的方法计算相关系数，基于RMT算法选取0.79作为标准化的阈值来产生网络。最后利用Cytoscape 3.3.0对产生的网络进行可视化分析。
结果与讨论： 1. 反应器性能与微生物群落多样性应对pH扰动的响应分析 在对反应器每天监控并评价其性能之后，选取两个有代表性的性能评价指标：产氢量和总能量效率进行分析。三组反应器的功能指标在同一时期表现出较少的差异，而pH冲击显著降低了MEC反应器的性能。此外，恢复时间从A组到C组逐渐升高，这也说明接种浓度比较高的A组反应器在pH冲击后比接种浓度低的C组反应器更容易恢复。 微生物群落的多样性的结果也显示，A组多样性指数最高，而C组多样性指数最低，并且在pH冲击前表现出明显的差异。然而，这种多样性指数的差异在生物膜功能恢复之后并未发现，表明pH冲击可能消除了三组生物膜群落在alpha多样性上的差异。 基于UniFrac距离矩阵的主坐标分析(PCoA)表明，A组与C组微生物群落在PCoA图中呈现分离，并且微生物群落结构在恢复结束之后表现出聚拢的趋势，这也意味着pH冲击之后，不同组间微生物群落结构的差异缩小。基于BrayCurtis和Jaccard距离两种距离矩阵的差异性检验结果均表明，三组生物膜群落在不同时期均有着显著差异。另一方面，在比较了同一时期不同组生物膜群落结构上的差异之后，发现在pH冲击前的差异要显著高于pH冲击之后的差异。这也表明，pH冲击也显著降低了不同组间微生物群落的beta多样性的差异。
图1： 生物反应器和生物膜群落 在应对pH扰动时的过程概念示意图 2. 网络分析方法利用种间关系揭示恢复机制 为了进一步探究生物膜群落内部物种的种间互作关系，作者利用系统发育分子生态网络的方法来对应的建立三组网络，并对三个网络的基本的拓扑性质进行了分析，如下图所示。结果发现，A组生物膜群落的网络尤为复杂，并且大多数的节点均属于变形菌门，而属于另一门类广古菌门的节点基本都聚在一个模块里头，并且这一模块与其余模块间的连接数极少。B组生物膜群落对于这两个微生物门类则表现出一个过渡的变化过程，C组的网络广古菌门与其余节点尤其是属于优势门变形菌门的节点则表现出明显的负相关关系。 图2：分子生态网络分析方法揭示 三组生物膜群落中的相互作用关系 对于每个生物膜群落所构建的网络中，隶属于优势菌属地杆菌和甲烷短杆菌的节点及其相邻的节点均重新构建了子网络，如下图所示。分子生态网络分析方法揭示了三组生物膜群落中地杆菌和甲烷短杆菌之间在有pH扰动的情况下的相互作用关系。从图中可以明显看出连接数较多的地杆菌在网络中占据着重要地位，并且节点之间的连接主要是正相关的连接。在B组的子网络中，甲烷短杆菌的节点逐渐在网络中出现，连接数也逐渐增多并成为网络中的主要节点。尤为重要的是，地杆菌和甲烷短杆菌之间的所有连接大多数为负相关的连接，这也意味着生物膜群落中这两种优势菌属间存在着明显的竞争关系。这一关系的变化趋势在C组中表现的尤为明显，竞争的关系逐渐增强，并且甲烷短杆菌成为网络中的主要菌属。在对网络中的节点数量以及连接数进行统计之后，发现从A组到C组，地杆菌的节点数量逐渐下降，而甲烷短杆菌的节点数量逐渐增加，并且这两种菌属之间的连接主要为负相关的连接。在这两个优势群体内部，主要为正相关的连接，而在这两个群体之间的连接主要为负相关的连接，这种负相关作用即种间对于内部资源或空间的竞争，可能进一步影响了生物膜群落的恢复能力，进而导致了C组生物膜群落应对pH扰动时延迟的恢复能力。 图3：分子生态网络方法揭示地杆菌和甲烷 短杆菌在不同多样性水平的群落中的竞争关系 结论： 生物反应器模型在pH扰动下，性能表现出了良好的弹性恢复能力。同时，多样性水平高的生物膜群落在功能上可以较快恢复，说明其响应环境干扰时具有更好的恢复性。在恢复时间较长的微生物生物膜群落中，地杆菌(Geobacter)和甲烷短杆菌(Methanobrevibacter)两个优势菌属之间的负相互作用明显增多，意味着关键功能类群的内部资源或空间竞争可能会对生物膜群落的恢复力产生显著影响。 本文所得结论级支持了宏观生态系统中生物多样性与生物系统稳定性的相关理论，也表明MEC反应器可以作为模式系统可用于微生物生态学的研究。同时，网络分析方法通过分析物种互作关系来揭示群落内在机制方面，并且网络分析方法也可以用于辅助生态系统理论的探索与分析，表明网络分析方法极具潜力，可以应用到更多的研究方向中。 论文链接： http://onlinelibrary./doi/10.1111/mec.14356/full 参考文献： Deng Y, Zhang P, Qin YJ, et al. (2016) Network succession reveals the importance of competition inresponse to emulsified vegetable oil amendment for uranium bioremediation. Environmental Microbiology, 18, 205-218. Feng K, Zhang Z, Cai W, et al. (2017) Biodiversity and speciescompetition regulate the resilience of microbial biofilm community. Molecular Ecology, 26, 6170-6182. 中国科学院生态环境研究中心 环境生物技术重点实验室 邓晔 研究员课题组发布 |
|
|
