基于环境DNA宏条形码技术的马岭河真核生物多样性研究及其与环境因子的关系

秦燕1,范波1,佟佳琪1,孔兰芬1,代晓丽1,陈虞茂2,刘永宽1*

(1.云南轻纺职业学院 食品与药品学院,云南 昆明 650300;2.兴义民族师范学院 生物与化学学院,贵州 兴义 562400)

摘要:为了探究贵州兴义马岭河的生态状况,采用环境DNA宏条形码技术于2022年5月(丰水期)和12月(枯水期)对马岭河上、中、下游的5个取样点进行真核生物的调查,并测定5个取样点样品的环境因子,分析真核生物群落结构组成、优势种、浮游生物丰度、多样性指数和均匀度指数及其与环境因子的关系。结果表明:丰水期有真核生物37门789种,优势类群为软体动物门和绿藻门;枯水期53门930种,优势类群为节肢动物门和硅藻门;马岭河真核生物生物群落结构差异显著,枯水期真核生物群落的物种丰富度显著低于丰水期(P<0.05),两个时期真核生物群落多样性和均匀度指数无显著性差异(P>0.05);通过对真核生物与环境因子间的典范对应分析发现,pH值、总氮、溶解氧和电导率是影响马岭河真核生物群落变化的关键环境因子。本研究结果可为马岭河后续相关研究及南盘江水系生态保护提供科学依据。

关键词:马岭河;真核生物;高通量测序;生物多样性;环境因子

水生生物在河流物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用,大多数水生生物对生境中环境因子的变化较敏感,不同水情期河流的理化性质、食物来源和环境特征的变化都会直接或者间接影响水生生物的生长繁殖和群落演替,从而导致河流生态系统结构的变化[1-2]。无论水生生物的种群结构还是河流水质监测均为重要指标,特别是浮游生物的种类及数量是水质污染调查中的主要研究对象之一[3],河流营养状况与水生生物的生物量之间呈显著正相关。水生生物多样性和群落结构特征可以直接或间接地反映河流环境特征及水质的状况与发展趋势。

近年来,环境DNA(enviromental DNA,eDNA)技术越来越多地应用于水生生物多样性调查。环境DNA(eDNA metabarcoding technology)采用通用引物对环境DNA中特定基因片段进行聚合酶链式反应(PCR)扩增,借助高通量测序获得DNA条形码序列,通过生物信息学分析,即可获得物种多样性及组成数据[4]。随着高通量测序技术的发展,环境DNA技术越来越多地应用于浮游植物等生物多样性的研究中[5]。如Malviya等[6]通过环境DNA技术探究了全球海洋中硅藻的物种多样性和群落组成;Rivera等[7]使用该技术对法国境内河流网络中的真核藻类进行了大规模检测;Boopathi等[8]基于该技术揭示了水库中真核浮游植物季节性演替的过程。环境DNA技术能提供与形态学相似的结果,被视为一种有望替代形态学鉴定的方法[9]

研究水生真核生物群落结构与环境因子间的关系,分析不同环境因子条件下水生真核生物群落的变化,对于监测水体的生态状况具有重要的现实意义[10]。马岭河位于贵州省,是万峰湖的库区支流。目前,有关万峰湖水库丰水期和枯水期浮游生物群落的特征和比较均有报道[11-12],用传统镜检的方法对马岭河浮游植物多样性的调查[13],高通量测序分析单一时期马岭河丰水期浮游生物多样性的研究也有少量报道[14],但陈虞茂等[14]的研究只报道了丰水期的真核生物多样性,未测定水样的理化指标,且未分析真核生物多样性与环境因子的关系。因此,针对马岭河枯水期和丰水期真核生物的结构特征变化及其与环境因子关系的系统研究还未见报道。

本研究中选择马岭河这一南盘江的重要支流作为研究对象,分别在丰水期(2022年5月)和枯水期(2022年12月)从上、中、下游河段区域5个取样点进行分段采样,调查真核生物的种类和数量,并测定了水体的理化指标,另外,研究中还比较了丰水期和枯水期物种结构组成的区别,并分析了其与环境因子的关系,以期反映马岭河河流生态系统的状态,为进一步开展马岭河流域水生态学的资源调查、河流管理和生态保护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

马岭河又名马别河,发源于贵州省乌蒙山脉的白果岭,其上游叫清水河,中游因两岸有马别大寨和马岭寨而称马岭河。马岭河位于24°37′~25°23′ N,104°31′~105°10′ E,自北向南流入南盘江,贯穿黔西南州兴义市。马岭河从河源至河口长约 142 km,流域面积2 924 km2,落差1 374 m,在安龙县万峰湖镇汇入万峰湖水库。马岭河的气候类型属于亚热带季风湿润气候区,年平均气温14 ℃~19 ℃,年均降雨量1 340 mm,年内降水分布不均[15]。本研究沿水流方向从上、中、下游3个采样河段共选择5个采样点(NY,NX,ML,ZJD,AT),每个取样点设置3个重复,分别为NY1,NY2,NY3,NX1,NX2,NX3,ML1,ML2,ML3,ZJD1,ZJD2,ZJD3,AT1,AT2,AT3。采样点分布图如图1所示。

本图基于自然资源部标准地图服务网站GS(2024)0650号标准地图为底图,底图边界无修改。

The map is based on the standard map GS(2024)0650 from the Standard Map Service website of Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China,with no modifications of the boundaries in the standard map.

图1 马岭河采样点

Fig.1 Sampling sites in Maling River

1.2 方法

1.2.1 样品采集与数据测定分析 根据马岭河径流量的季节变化,于 2022 年5月(丰水期)和 2022年12月(枯水期)对上、中、下游水体进行连续取样及水体理化指标检测。用5 L带盖的不锈钢采样器采集不同水深位置的混合水样,分别装于5 L的干净矿泉水桶中,每个取样点重复取样3次。现场测定水样的水温和pH值,取1 L水样用来测定理化指标,如溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷总氮电导率(conductivity,Cond)、叶绿素a(Chla),送至黔西南州华科检测技术有限公司测定。采用碘量法(GB/T 7489—1987)、重铬酸盐法(HJ 828—2017)、纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)、钼酸铵分光光度法(GB/T 11893-1989)和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)分别测定水样的溶解氧、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮,采用感官性状和物理指标GB/T 5750.4—2006测定电导率,采用分光光度法HJ 897—2017测定叶绿素a。

1.2.2 样本预处理 从马岭河5个采样点采集的水样取2 000 mL用真空泵抽滤,用溶剂微孔过滤尼龙膜过滤,滤膜孔径为0.45 μm,将载有样本的滤膜立即置于-80 ℃冰箱中保存。

1.2.3 环境DNA高通量测序 滤膜上的样品液氮冷冻后,于组织破碎仪中进行破碎。取适量洗过之后的液体离心,留取沉淀进行提取。以OMEGA试剂盒E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit提取试剂盒(M5635-02)提取DNA后质检。引物序列、巢式PCR扩增反应体系及PCR反应条件按照之前文献中的方法[16]。Illumina MiseqTM测序由上海生工完成,测序平台为Illumina MiseqTM

1.3 数据处理

测序原始序列数据用cutadapt去除引物接头序列、采用PEAR将成对的reads拼接、采用PRINSEQ切除reads尾部碱基,经过滤、质控等步骤进行数据质控。将OTU代表序列采用Blastn比对NCBI中18S数据库,筛选出序列最佳比对结果,分别在门、纲、目、科、属、种各分类水平上统计各样本的数目。通过计算Chao指数,Ace指数,Shannon指数,Simpson指数,Coverage和Shannoneven指数进行单样品的多样性分析(Alpha-多样性),具体计算方法参考文献[4]。利用R软件将多组数据差异呈现在二维坐标图上,在PCA图上的距离直接反映样品组成的相似性。

通过Excel软件完成水样的理化指标计算、物种多样性指数、均匀度指数、优势度指数分析和各样品物种相对丰度柱状图(门、种的水平)。基于在线作图平台(http://www.venn.)作Venn图用来统计样品中共有的和特有的OTU数目、种的数目。基于免费在线数据分析平台(http://www.cloudtutu.com) 对真核生物和环境因子进行Pearson相关性分析(DCA分析和RDA分析)。用T-test分别对丰水期和枯水期5个取样点真核生物数据与环境因子进行差异显著性检验,显著性差异设为0.05。

2 结果与分析

2.1 水样理化参数的分析

对马岭河丰水期和枯水期的水样理化参数进行分析,试验比较了丰水期和枯水期5个取样点各水样的溶解氧、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮、电导率、叶绿素a、pH值和水温等9个理化参数。T检验结果显示,环境理化参数除了总氮在枯水期和丰水期之间差异不显著之外,水样的溶解氧、化学需氧量、总磷、电导率、叶绿素a、氨氮、水温和pH值均存在显著性差异(P<0.05)(表1)。

表1 马岭河丰水期和枯水期环境理化因子

Tab.1 Physical and chemical environmental factors of Maling River in the wet and dry seasons

时期season样品sample溶解氧/(mg·L-1)DO化学需氧量/(mg·L-1)COD氨氮/(mg·L-1)NH3-N总磷/(mg·L-1)TP总氮/(mg·L-1)TN电导率/(μs·cm-1)cond叶绿素a/(mg·L-1)chla水温/℃WTpH值pH NY8.540.2520.032.463230.00225.18.31NX6.850.2830.102.923280.00325.98.23ML8.140.3250.063.193240.00225.57.9丰水期wetseasonZJD6.650.4330.074.643540.00325.68.23AT7.360.3320.053.183220.00225.58.39平均值average7.4±0.44.80±0.370.325±0.0310.06±0.013.28±0.36330±60.002±0.000 225.5±0.138.21±0.08NY5.590.0310.031.833730.00710.57.85NX5.780.0260.162.084140.00811.87.79ML6.490.0410.093.123930.00610.77.87枯水期dryseasonZJD7.680.0710.104.254000.00510.85.56AT5.690.1160.083.623860.00710.66.17平均值average6.2±0.48.6±0.250.057±0.0170.09±0.022.98±0.46393.00±6.850.007±0.000 510.9±0.247.05±0.49P值 P value0.040.0015.87×10-50.0340.620.000 90.0025.54×10-80.047

2.2 环境DNA条形码技术测序序列和真核生物群落特征分析

2.2.1 OTU序列分析 在丰水期和枯水期分别对马岭河上、中、下游的5个取样点的样本进行环境DNA宏条形码测序,每个采样点设置3个生物学重复。OTU等级图表主要从物种的丰度和均匀度展示物种的多样性,在水平方向上,曲线跨越的水平轴越宽,物种的丰度越高;曲线的形状越平缓,物种的分布越均匀。通过丰水期和枯水期的曲线比较可知,丰水期和枯水期曲线的跨度宽、曲线的平滑程度比较相似,说明丰水期和枯水期物种的丰度和均匀度较相似(图2(a),(b))。通过OTU的聚类分析统计显示:丰水期的样本共得到OTUs的数目为7 925个,隶属于1 450类,韦恩图显示,5个取样点的样本共同有的 OTUs 有595个,而取样点NY、ML、AT和ZJD特有的OTUs分别有3、14、36、33个,取样点NX没有特有的OTU(图2(c))。枯水期的样本共得到OTUs数目3 855个,隶属于1 849类,韦恩图中显示5个样本中共同有的OTUs有519个,取样点NX、NY、AT、ZJD和ML特有的OTUs分别有5、9、19、213、174个(图2(d))。

图2 丰水期和枯水期样本中OTU分析

Fig.2 OTU analysis of water samples in wet season and dry season

2.2.2 Alpha多样性分析 丰水期和枯水期真核生物所有测序样品共得到11 780个OTUs,样品覆盖率为99%以上,序列总数分别为185 215、244 815个,OTUs数目分别为7 925、3 855个(表2)。

表2 马岭河丰水期和枯水期真核生物Alpha多样性指数比较表

Tab.2 Comparison of eukaryote alpha diversity index in the Maling River in the wet and dry seasons

时期season样品sample序列数number of sequenceOTU数目number of OTUs香农指数Shannon index物种数目指数Chao样本覆盖度估计值Ace辛普森指数Simpson index香农均匀度Shannon even覆盖率coveragerate AT58 822±7 323703±193.33±0.141 022.68±38.141 086.83±77.470.11±0.020.51±0.020.995 8±0.000 3ML48 837±485823±854.27±0.06888.80±120.99882.69±127.280.08±0.010.64±0.020.998 0±0.001 0NX42 310±2 912599±243.75±0.11870.07±31.87941.45±74.340.06±0.010.59±0.020.995 1±0.000 3枯水期dry seasonNY44 784±3 427673±63.65±0.08910.58±8.23920.86±12.480.07±0.010.56±0.010.995 0±0.000 4ZJD50 063±4 9791 057±854.70±0.231 138.89±117.341 132.24±112.570.06±0.020.68±0.030.997 4±0.000 7平均值average48 9637713.94966.20992.820.080.590.996 3AT38 820±1 145991±124.30±0.031 139.21±16.851 142.13±25.410.057±0.0040.62±0.0040.994 7±0.000 10ML34 382±1 264761±133.58±0.14984.78±15.22967.91±17.340.110±0.0100.54±0.0200.993 8±0.000 04NX36 730±1 024643±142.89±0.18926.00±44.251 112.30±51.550.220±0.0400.45±0.0300.993 5±0.000 20丰水期wet seasonNY34 469±1 986607±242.92±0.30912.52±43.301 082.64±120.680.210±0.0700.46±0.0500.993 2±0.000 04ZJD40 815±1 1911 067±114.58±0.041 204.40±23.891 193.56±22.670.044±0.0020.66±0.0060.995 2±0.000 30平均值average37 0438143.661 033.381 099.710.130.540.994 1P值 P value0.010.550.450.030.010.280.340.02

从表2可见,在所有测序样品中,丰水期和枯水期ZJD和AT样本真核生物群落的物种丰富度(Ace和Chao值)均为最高;丰水期和枯水期ZJD样本的Shannon值均最高。方差分析显示,反映真核生物物种丰富度的Chao和Ace指标(P=0.03和0.01)在丰水期和枯水期表现出显著性差异,而反映群落物种多样性的Shannon和Simpson指标(P=0.45和0.28),以及反映群落物种分布均匀度的Shannoneven指标(P=0.34)在丰水期和枯水期均未呈现出显著性差异,说明丰水期和枯水期真核生物的群落结构组成无显著性差别,仅物种的数量有显著性差异。

2.2.3 Beta 多样性分析 Alpha多样性分析是综合性指标分析群落物种的丰富度、多样性和群落物种分布均匀度。Beta多样性分析则是以矩阵的形式,比较5个取样点群落的数量和分布差异,主要揭示不同取样点群落间真核生物物种组成的差异,图3中不同颜色分别代表丰水期和枯水期不同取样点群落的样品。从图3(a)可见,在枯水期,取样点NX和NY样本间的距离较近、取样点ML和ZJD样本间的距离较近,尤其是NX和NY有重合的部分,说明在枯水期NX和NY样本真核生物群落的物种组成波动性小,比较相似;而在丰水期,除了取样点NX和NY的距离较近,其余样本间均有一定的距离,说明丰水期样本的真核生物群落组成差别较大(图3(b))。

图3 马岭河丰水期和枯水期真核生物群落的主坐标分析

Fig.3 Principal co-ordinates analysis of eukaryote community of Maling River in the wet season and dry season

2.3 马岭河丰、枯水期真核生物群落组成的比较

通过RDP(ribosomal database project)法分析马岭河丰水期和枯水期真核生物的814/771个OTUs分类,结果表明:丰水期样本总数为185 315的序列,隶属于37门589属789种;枯水期样本总数为244 815的序列,隶属于53门689属930种,UPGMA分析和相对丰度比较如图4所示。在门的水平上比较,丰水期样本中含有37门的真核生物,前5个门分别为未分类真核生物、软体动物门、绿藻门、囊泡虫总门和硅藻门。枯水期样本中含有53个门的真核生物,前5种分别为未分类真核生物、节肢动物门、硅藻门、软体动物门和绿藻门。两个时期样本中真核生物的种类和相对丰度如图4所示。

图4 马岭河丰水期和枯水期真核生物的种类和相对丰度比较(门水平上)

Fig.4 Comparison of species and relative abundance of eukaryote of Maling River in the wet and dry season(at the phylum level)

图5 马岭河丰水期和枯水期真核生物的种类和相对丰度比较(种水平上)

Fig.5 Comparison of species and relative abundance of eukaryote of Maling River in the wet and dry season(at the species level)

比较马岭河丰水期和枯水期丰度最高的前5个门发现:两个时期真核生物的种类组成基本相同,丰水期有1个特有的囊泡虫总门;以取样点NX、NY样本为例,枯水期涵盖未知真核生物(70%~80%)远大于丰水期(20%~40%)(图4)。虽然软体动物门、绿藻门、硅藻门和节肢动物门均为丰水期和枯水期的优势类群,但是这4个门的物种在两个时期的相对丰度差别明显,说明马岭河在丰水期和枯水期真核生物间的丰度存在显著差异。

对5个取样点的全部样品在种的水平上统计,真核生物的种类在丰水期有789个种,枯水期有930个种。以中游取样点ML的数据为例,丰水期和枯水期物种种类分别为613种和730种(图6(a),(b)),其中136个种为丰水期和枯水期所共有,大部分为软体动物和绿藻类,477个种为丰水期特有种,594个种为枯水期特有种(图6(c))。

图6 马岭河丰水期和枯水期真核生物的结构组成及比较韦恩图(种水平上)

Fig.6 Venn diagram of eukaryote in the wet and dry season of Maling River,and ML sample (at the species level)

图7 马岭河丰水期和枯水期真核生物种类及取样点与环境因子的冗余分析(RDA)(种水平上)

Fig.7 Redundancy analysis (RDA) of eukaryote,sampling sites and environmental factors in the wet and dry season of Maling River (at the species level)

丰水期物种丰度较高的有沼蛤(Limnoperna fortunei,24.1%),其次为马氏隐藻(Cryptomonas marssonii,6.24%)、刚毛藻(Cladophora,5.98%)、囊泡虫(Perkinsea,5.13%)、柏金丝虫(Perkinsidae,3.93%)和变异直链藻(Melosira varians,3.26%)等;枯水期物种丰度较高的有马氏隐藻(Cryptomonas marssonii,9.8%),其次是真镖水蚤(Eudiaptomus,7.16%)、鞭毛藻(Dinoflagellate,6.35%)、石蛏(Adula falcatoides,6.26%)、长毛吻盲虫(Pristina longiseta,2.76%)和蛋白核隐藻(Cryptomonas pyrenoidifera,2.5%)等。

2.4 马岭河丰、枯水期真核生物与环境因子的关系

为研究环境因子对马岭河真核生物的影响,首先将物种丰度和环境因子进行排序,然后对丰水期和枯水期马别河门水平上的真核生物群落数据进行了除趋势对应分析(detrended correspondence analysis,DCA),以探究马岭河真核生物群落对环境的响应,排序轴最长长度分别为2.0和2.3。因为排序轴长度<3,故本研究后续使用线性模型RDA(redundancy analysis)进行相关性分析。

马岭河丰水期、枯水期真核生物与环境因子的RDA分析结果显示:马岭河丰水期和枯水期真核生物与环境因子对应关系有所不同。氨氮、pH、总氮、电导率和溶解氧是影响丰水期真核生物的主要因子,氨氮和总氮对第一轴影响最大,电导率是影响第二轴的主要环境因子。在丰水期,舟形藻(Navicula)和隐真菌门(Cryptomycota)对河流的TN和pH有明显的响应关系;对NH3-N有一定响应关系的有直链藻(Melosira)和绿点藻(Chlorochytrium);中镖水蚤属(Sinodiaptomus)对河流的DO呈现出明显的响应关系;弯曲隐藻(Cryptomonas curvata)则对电导率呈现一定的响应关系。而pH、总磷、总氮、溶解氧、电导率和叶绿素a是影响枯水期真核生物的主要因子,DO和Cond对第一轴影响最大,pH是影响第二轴的主要环境因子。在枯水期金球藻(Chrysosphaerella rotundata)、三叶虫幼虫(Protaspis)、臂尾轮虫(Brachionus)和Ulnaria ulna对河流的pH有明显的响应关系;隐真菌门(Cryptomycota)对河流的DO和Cond有明显的响应关系;长毛吻盲虫(Pristina longiseta)和鼬虫(Chaetonotus hystrix)则对TN和TP呈现一定的响应关系;对Chla有响应关系的有蛋白核隐藻(Cryptomonas pyrenoidifera)、尖眼藻科(Katablepharidaceae)、纤毛虫(unclassified FV18-2A2)和波罗的海红胞藻(Rhodomonas baltica)。由此可知,pH、TN、DO和Cond是影响马岭河真核生物数量和种类变化的主要环境因子。

3 讨论

3.1 马岭河真核生物群落结构特征

水生生物群落的多样性是维持河流生态系统结构和功能多样性的前提条件,由于水生生物对水体理化指标的变化反应敏感,被称为水生态系统质量的重要指示剂[17-19]。河流的水文条件和营养元素变化影响水生生物的结构组成,为探究河流水体的生态状况并协助制定减轻环境影响的策略,世界各地广泛开展了生物评估和监测[20]。目前,环境DNA宏条形码技术已在许多河流、湖泊中广泛应用[12,14,16],前期研究中用传统镜检的方法统计原核生物或者真核生物种类的多样性,且未测定水样的理化参数,也未分析生物种类与环境因子的相关性。本研究中运用环境DNA宏条形码技术调查了马岭河不同区段一年中丰水期和枯水期的真核生物群落组成、物种丰富度和物种多样性,分析了真核生物种类与环境因子的关系,为揭示马岭河生态系统的物质循环和能量组成提供了数据支持。环境DNA宏条形码技术凭借高效、灵敏的特点,成为生物多样性检测的重要手段,然而,本研究中只用Blast比对NCBI中的18S数据库进行物种鉴定,由于受基因库数据准确性的影响(如数据库中部分物种的序列信息存在错误或者不完整),鉴定出的物种与实际物种可能会有一定偏差,特别是优势种鉴定的准确性,需要结合镜检和马岭河已有资料进行确定。未来需结合马岭河本地样品,构建本地基因数据库,以提升物种鉴定的准确性,为马岭河生物多样性的深入研究提供支撑。

本研究中首先分析了马岭河丰水期、枯水期真核生物的群落结构(表2),结果表明:无论丰水期还是枯水期,反映物种丰富度指标的Chao和Ace指数表明,下游取样点ZJD和AT两个样本物种的丰富度最高,上游和中游取样点ML、NX和NY样本的丰富度相差不大,这与分布在不同区段取样点的环境条件密切相关。由于取样点AT和ZJD位于下游,汇集各路支流后,使该区段的生物丰富度增高。比较丰水期和枯水期的Chao和Ace指数发现,两个时期的物种丰富度差别显著,丰水期明显高于枯水期,这与许多河流中丰水期生物密度和丰富度显著高于枯水期的研究结果一致[10,21-22]。马岭河丰水期水温较高,平均水温20 ℃,水量充沛,使得水生生物快速生长和繁殖,而在枯水期水温降低,平均水温8 ℃,且水流量减少,导致大量真核生物生长繁殖减缓,物种丰富度降低。马岭河真核生物多样性指标Shannon和Simpson表现为丰水期和枯水期差异性不显著,与刘鹏等[21]的研究结果一致,但在许多研究结果中生物多样性丰水期高于枯水期[10,22-25],或者枯水期高于丰水期[1,26],这可能是不同地理区域环境和人为干扰因素导致。

生物种群结构与环境条件密切相关,生物的变化可用来作为环境变化的指标。以均匀度指数为例,有研究报道,Shannon even值0~0.3为重度污染,0.3~0.5为中度污染,0.5~0.8为轻度污染或者无污染[12]。从表2数据可知,枯水期马岭河各取样点样本的均匀度指数均大于0.5,为轻度污染;而在丰水期,马岭河上游取样点NX和NY样本的均匀度指数分别为0.45和0.46,为中度污染,其余3个取样点ML、ZJD和AT样本的均匀度指数均大于0.5,为轻度污染或无污染,这可能与取样点NY位于村庄附近,而NX位于学校附近有关,人为活动产生的污染物可能会使一些耐受性差的敏感物种数量减少,而一些能耐受污染的水生生物大量繁殖,原本相对均匀的水生生物群落结构被破坏,物种均匀度指数下降。因此,目前在充分认识和利用马岭河旅游资源的同时,还要做好马岭河周围生态环境的宣传和保护工作。

本研究中以中游取样点ML为例,通过对取样点ML丰水期、枯水期真核生物群落特征的比较发现:沼蛤(24.1%)和马氏隐藻(6.24%)是ML丰水期的优势物种。沼蛤是一种典型的淡水入侵贝类,沼蛤大量滤食水体中的浮游动植物,与本地水生生物争夺生存空间,导致本地水生生物多样性降低[27],同时,沼蛤的大量滤食显著增加氨氮、总氮等污染物浓度,带来富营养化风险[28]。马氏隐藻是一种广泛分布在淡水和海水中的单细胞鞭毛藻类,很多学者认为隐藻倾向于生存在水温20 ℃左右的水体中[29],在中国的济南和武汉东湖曾有报道[30-31]。隐藻对光照和温度适应性强,夏季和冬季均可形成优势种群,喜生于氮丰富的水体。这两种优势生物提示ML丰水期氨氮、总氮等营养指标有潜在的富营养化风险。这与测定的理化参数中丰水期氨氮和总氮高于枯水期是一致的。

本研究中马氏隐藻(9.8%)和真镖水蚤(7.16%)是取样点ML枯水期的优势物种。真镖水蚤是节肢动物门桡足纲生物,以滤食硅藻、轮虫、有机碎屑等悬浮颗粒为食,主要分布在海拔为450~1 070 m的河流和湖泊中。轮虫和硅藻都是马岭河丰水期和枯水期广泛分布的物种,枯水期真镖水蚤可能主要以轮虫为食,这也是枯水期ML轮虫生物量较丰水期少的原因。Boersma等[32]研究发现,桡足类生物在温度相对较低的条件下(如枯水期),偏好摄食异养生物,如轮虫而非硅藻等自养生物。陈辉煌等[33]在厦门溪东水库的研究中也曾报道,桡足类生物量和轮虫生物量显著相关,桡足类生物量占比最大时,轮虫的生物量占比较小。因此,马岭河中的轮虫为真镖水蚤提供了食物来源,或许是真镖水蚤在枯水期大量生长和繁殖的主要因素。本结果与之前报道的真镖水蚤是万峰湖枯水期优势物种的结果一致[12]

3.2 马岭河真核生物群落结构与环境因子的关系

本研究中还探讨了丰水期和枯水期溶解氧、化学需氧量、氨氮、总磷、总氮、电导率、叶绿素a、pH值和水温等9种环境因子对马岭河真核生物物种丰度、物种多样性和均匀度的影响。结果表明,化学需氧量、pH、溶解氧和总氮是影响马岭河真核生物数量和种类变化的主要环境因子。

有研究表明,水温是影响浮游生物生长、繁殖和密度等的重要环境因子[34-36]。马岭河流域内海拔为1 200~1 500 m,本研究调查期间,丰水期水体温度为15 ℃~26 ℃,枯水期水温为4 ℃~12 ℃,水温的季节性变化对水生生物的物种数目样品覆盖度有较大影响,因而使马岭河丰水期和枯水期真核生物群落的丰富度呈现明显的季节变化,这与之前报道的兴义万峰湖的结果一致[12]

pH值是影响真核生物群落结构的重要理化因子,本研究中,pH值与诸多优势种表现出显著相关关系,如丰水期水体均偏碱性,pH值为7.90~8.39,舟形藻,隐真菌对河流的pH表现出明显的响应关系;在枯水期,pH值为5.56~7.87,金球藻、三叶虫幼虫和臂尾轮虫等对pH有明显的响应,其中ZJD取样点pH值最低为5.56,对应其OTUs的数目是最高的,因此pH值的变化对马岭河流域真核生物的丰度和群落结构产生了重要影响,这与之前报道的许多结果一致[37-38]

水体的营养状态对真核生物的种类和丰度也具有显著的影响。本研究中氨氮、总氮和溶解氧反映了马岭河流域水环境的营养状态,这些环境因子与马岭河流域真核生物的群落结构相关性较大,对丰度的变化影响也较大。绿藻和硅藻分别是马岭河丰水期和枯水期的主要浮游藻类,特别是丰水期绿藻门中的刚毛藻和枯水期硅藻门中的直链藻,它们的生物量大小决定了马岭河浮游藻类的生物量大小,是潜在的致灾种属,应当对其生物量变化进行监测。马岭河藻类生物量的影响因素包括总磷、总氮等营养盐水平,控制营养盐浓度依然是马岭河藻类监控的首要手段。本研究中,丰水期舟形藻、隐真菌对总氮、直链藻和绿点藻对氨氮有一定的响应关系,枯水期长毛吻盲虫和鼬虫则对TN和TP呈现一定的响应关系。这些营养元素是组成真核生物营养的基本元素,也是其生长和繁殖的关键元素,对真核生物的种类组成、丰度均具有重要影响。这与前期许多研究结果一致,如Kingsley等[39]研究认为,硅藻的丰度与水体营养元素密切相关;邢爽[40]、赵杨[41]认为,拉林河流域硅藻群落与水体的营养状态密切相关。总之,可以采取降低入河营养盐负荷、 保护流域植被等手段,降低马岭河枯水期硅藻异常增殖等藻类灾害事件的风险。

4 结论

1)马岭河丰水期真核生物隶属于37门789种,优势类群为软体动物门和绿藻门;枯水期隶属于53门930种,优势类群为节肢动物门和硅藻门。

2)马岭河真核生物物种丰度在丰水期和枯水期存在显著性差异,丰水期高于枯水期;真核生物群落多样性和群落分布均匀度均未呈现出显著性差异。马岭河水质较好,Shannon even值提示,除丰水期NX和NY取样点水质是中污染外,丰水期和枯水期大部分取样点水质均为无污染或轻度污染。

3)丰水期和枯水期影响马岭河真核生物的主要环境因子有所不同,丰水期的pH、总氮、氨氮、溶解氧和电导率对真核生物的分布起主导作用,枯水期起主导作用的环境因子是pH、总磷,总氮、溶解氧、电导率和叶绿素a。因此,pH、总氮、溶解氧和电导率是影响马岭河真核生物的关键环境因子。

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Eukaryotic biodiversity in the Maling River and its relationship with environmental factors based on environmental DNA metabarcoding technology

QIN Yan1,FAN Bo1,TONG Jiaqi1,KONG Lanfen1,DAI Xiaoli1,CHEN Yumao2,LIU Yongkuan1*

(1.College of Food and Medicine,Yunnan Textile Vocational College,Kunming 650300,China;2.School of Biology and Chemistry,Minzu Normal University of Xingyi,Xingyi 562400,China)

Abstract: We explored the ecological status of the Maling River in Xingyi, Guizhou Province, China using environmental DNA metabarcoding technology to investigate the eukaryotes at five sampling sites in the upper, middle, and lower reaches of the Maling River in May (wet season) and December (dry season) of 2022. The environmental indices of water samples taken from the five sampling sites were also recorded. The composition of the eukaryotic community structure including the dominant species, plankton abundance, diversity index, and evenness index were analyzed, as well as their relationships with the environmental factors. During the wet season, a total of 789 species of eukaryotes from 37 phyla were recorded, with Mollusca and Chlorophyta comprising the dominant groups. During the dry season, a total of 930 species of eukaryote from 53 phyla were recorded, with Arthropoda and Bacillariophyta comprising the dominant groups. Significant seasonal differences in the structure of the eukaryotic biological communities were observed. Species richness in the dry season was significantly lower than that in the wet season (P<0.05). There was no significant difference in the diversity and evenness indices of the eukaryotic communities between the two seasons (P>0.05). Canonical correspondence analysis between eukaryotes and environmental factors showed that pH, total nitrogen, dissolved oxygen, and water conductivity were the key environmental factors affecting the changes in the eukaryotic community. This study provides a scientific basis for subsequent related research on the Maling River and the ecological protection of the Nanpan River water system.

Key words Maling River; eukaryote; high-throughput sequencing; biodiversity; environmental factors

DOI:10.16535/j.cnki.dlhyxb.2024-278

文章编号:2095-1388(2025)04-0585-12

收稿日期:2024-12-18

基金项目:贵州省教育厅青年科技人才成长项目(黔教合KY字(2019)221号);2022年大学生创新创业训练计划项目(国家级)(202210666223);云南省教育厅2025年科学研究基金(2025J1935)

作者简介:秦燕(1980—),女,博士,副教授。 E-mail:qinyan1024@163.com

通信作者:刘永宽(1970—),男,教授。E-mail:liuyongkuan2024@163.com

中图分类号:S 917;Q 179.1

文献标志码:A