微生物组的时序性研究 | 揭示海洋浮游生物群落的迅猛变化 -海洋浮游生物学再版

众所周知，海洋浮游生物群落主要由多种细菌、藻类及原生动物构成，这些群落成员在时间及空间尺度上受到环境的胁迫。而一个基本问题是，是什么促成了这些微生物构成具有凝聚性的菌落。这种时间序列上的胁迫会造成怎样的群落变化？

科学家们通过确定不同时间频率上群体间的正负相关性，将群落划分为相互作用的不同模块单元，利用这种技术对连续93天观测的海洋样本进行时间顺序分析。

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取样地点：

美国东海岸海岸线海水样本

单点取样

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取样时间：

连续3个月，共计93天

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研究方案：

16s rRNA-seq（细菌群体）

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18s rRNA-seq（真核生物）

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研究首先统计了展示了海洋浮游生物的动态变化特征：

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基于16s及18s研究，共获得49637个OTUs，其中9660个OTUs存在时间超过10天，这些物种之间存在群落内的相互作用关系，被用于检测微生物群体在自然状况下如何形成动态相关性群落。从群落结构的动态变化分析中（下图）可以看出，在较高的分类级别（门到科水平），群落动态相对稳定，但细菌及真核生物群体中几乎每天都存在迅速的波动。

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这就揭示了一个普遍性模式：尽管许多个体的OTUs在时间序列中倾向于保持较低的相对丰度，但它们经常表现出期限性的扩张，在此过程中它们的丰度会上升到一个相对较高的水平（下图）。

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研究者于是提出了一种假设：

相互作用的微生物构成的群落会显示出OTU在较长时间内的协调扩张及快速波动，这种波动是由微生物之间直接的正负作用及环境胁迫因素驱动的。

进一步，研究者对急剧快速的群落快速进行研究发现：随着时间的推移，分类群之间的关联是由不同的OTU群具有高度组织性的构成，正如预期的那样，相互作用的生物群之间具有凝聚性表现。这些群体会发生迅速的变化，在几天内达到丰度峰值。而在长时间范围内，它们往往保持较低的丰度水平，只会出现偶发性的高丰度（下图a）。一些种群出现了相同的变化趋势（图a）,同样的伴随着环境因素随时间的变化（图b）。这种较长时期内的正相关表明，整个生态系统的变化选择了一致的生物群，可用于预测在较短的时间标度上的正负相互作用。

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时间序列研究与不断变化的生态条件的检测相一致，是群落间分类的精细分化。利用时间序列信息可以进行群落的精细分类。从下图可以看出，密切相关的OTUS倾向于在不同的群落中达到高峰，这意味着群落生态型的分化，而一些更近相关的OTUs更频繁的与不同的群落关联。

结论

海洋浮游生物中所有的分类群几乎每天都会有巨大的丰度波动，微生物的群体也会被明显的划分为不同的群落，这之间的替代过程发生的急剧而迅速。借助时间顺序性研究的方法可以同时展现区分群落边界的群体的扩张，以及该群落内物种间的正负相关关系。

最后分享来自原文献结尾的一句话：著名作家马克吐温曾经说过“如果你不喜欢新英格兰的天气，就等上几分钟”，一个好消息是——如果你不喜欢这样的微生物群落，就等几天好了~~

参考文献：

High resolution time series reveals cohesive but short-lived communities in coastal plankton. Nature communications,2018.

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