中科院 | Environ. Microbiol.：青海高原黑河上游浮游细菌群落结构及其与环境因子的关系( 三 )

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图3.微生物群落和环境因子的冗余分析（RDA）。4 分析来自不同样品的不同细菌通过线性判别分析（LDA）来识别主流和支流之间的差异类群（图4）。变形菌门对组间差异的影响最大。与支流相比，主流中富集5属，分别为硫杆菌属（Acidithiobacillus）、甲基杆菌属（Methylobacterium）、不动杆菌属（Acinetobacter）、大肠杆菌（Escherichia）和假黄单胞菌属（Pseudoxanthomonas）。与干流相比，支流中变形菌门的Acetobacteraceae、Sphingorhabdus、Polaromonas、Hydrogenophaga、Methylotenera、Rhizobacter、Hydrogenophaga和Rhodobacteraceae、绿弯菌门的KD4_96、酸杆菌门的Subgroup_6和芽单胞菌门的芽单胞菌属的丰度显著高于主流。

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图4.LDA分析表明，干流（M）和支流（T）的分布存在显著差异， LDA得分越大，物种丰度对差异效应的影响越大。5 PICRUSt功能预测利用PICRUSt进行群落预测分析，确定所观察到的浮游细菌的功能。在大多数样本中，功能的相对丰度通常是相似的（图S3）。基于KEGG数据库，获得六大类生物代谢途径:代谢、遗传信息处理、环境信息处理、细胞过程、人类疾病和生物系统。代谢、遗传信息处理和环境信息处理是主要成分，分别占49.18%、16.73%和13.37% 。对预测基因二级功能水平的分析确定了41个子功能（图5）。微生物的功能主要包括膜运输（10.87%）、氨基酸代谢（10.35%）、碳水化合物代谢（9.61%）、复制与修复（7.41%）、能量代谢（6.18%）和转化（4.52%）。干流微生物组合中较高的KOs丰度属于萜类和多酮类代谢，而支流中较高的KOs丰度属于免疫系统（图S4）。但在碳水化合物代谢、能量代谢和氨基酸代谢3种核心资源代谢途径的相对丰度上，干流微生物和支流微生物没有显著差异。

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图5.热图显示PICRUSt分析预测的细菌群落功能类别（KEGG level 2）。行表示41个KEGG 直系同源功能，列表示8个样本，热图中的颜色强度表示功能基因的相对丰度（%）

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图S3.不同采样点细菌功能的相对丰度。

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图S4.LDA分析确定了干流（M）和支流（T）之间的细菌功能差异。讨论
本研究首次对黑河上游浮游细菌群落进行了高通量测序，并报道了细菌群落对环境因子的响应。高通量测序数据显示，黑河上游干流和八宝河支流中存在7种优势浮游细菌类群:变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinomyceteria）、Deinococcus‐Thermus和蓝藻门（Cyanobacteria）。这一结果与国内外对江河湖泊浮游细菌群落的研究结果相似，符合江河湖泊等淡水水体典型细菌群落组成规律。变形菌群具有很强的适应性，能够利用水体中的氮、磷污染物，广泛分布于河流、湖泊和海洋中。研究表明， γ变形菌纲的高丰度比与整体富营养化有着重要的关系。本研究中变形菌门占绝对优势，各采样点的平均相对丰度高达62.46% 。在H1、H3和H5采样点，变形菌门的丰度均在80%以上。 LDA结果进一步证实了影响黑河上游差异的主要细菌门几乎都是变形菌门。变形菌门的优势类群为γ变形菌纲，平均相对丰度为43.84% ，在H1采样点和H5采样点中分别高达62.26%和84.5% 。 γ变形菌纲被认为是反硝化菌群之一，因此可能是决定河流清除多余氮的重要类群，这一纲的许多物种都适应寒冷。刘等研究了渭河汛期浮游细菌群落结构特征，发现变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroides）是主要的微生物类群，相对丰度分别为46%和27% 。 β变形菌门（Betaproteobacteria）是最重要的类群，但与本研究结果不同。这可能是由于黑河特殊的地理环境、低温和高海拔以及青藏高原显著的氮沉降和降水增加，导致了适应寒冷的伽马变形菌的大量增加。刘等和Jones 等人都发现厚壁菌门是灰尘中的主要细菌群。在我们的研究中，厚壁菌门（Firmicutes）是黑河上游干流的第二优势菌群，这与其他研究中认为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和放线菌门（Actinobacteria）是河流的优势菌群不一致。这可能是黑河地处祁连山，坡度高、坡度陡，土壤疏松，植被稀疏，表层土壤裸露造成的。在降雨条件下，大量泥沙被地表径流带入河流，导致黑河上游干流中厚壁菌门含量较高。研究还发现，表层淡水水体中厚壁菌门的相对丰度一般小于1% 。厚壁菌门相对丰度较高的水体可能存在动物粪便污染。拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度排名第三，是一种常见的致病菌，常见于人类和动物。它在复杂生物聚合物的降解中发挥着重要作用，并参与碳的富集和蛋白质的循环。也有学者发现拟杆菌门与水体富营养化密切相关。本研究在每个采样点都检测到了拟杆菌门，表明黑河上游水体处于富营养化状态。在属水平上，各采样点相对丰度最高的6种微生物为硫单胞菌属（