Fenológia vysokohorských pelagických baktérií: úlohy meteorologickej variability, prítokov z povodia a tepelnej stratifikácie v štruktúrujúcich sa spoločenstvách | isme journal

Fenológia vysokohorských pelagických baktérií: úlohy meteorologickej variability, prítokov z povodia a tepelnej stratifikácie v štruktúrujúcich sa spoločenstvách | isme journal

Anonim

abstraktné

Mnoho eukaryotických spoločenstiev vykazuje predvídateľnú sezónnosť v druhovom zložení, ale takéto fenologické vzorce nie sú v bakteriálnych spoločenstvách dobre zdokumentované. Táto štúdia kvantifikovala sezónne rozdiely v zložení bakteriosplanktónu v komunite vo vysokohorskom jazere v pohorí Sierra Nevada v Kalifornii počas obdobia troch rokov 2004 - 2006. Bakterioplanktón vykazoval konzistentné fenologické vzorce s odlišnými, medziročne sa opakujúcimi typmi spoločenstiev, ktoré sú charakteristické pre jarnú taveninu, ľadovú vrstvu a prevrátenie v jazere. Tepelná stratifikácia bola spojená so vznikom špecifických spoločenstiev každé leto a so zvýšenou heterogenitou v celom vodnom stĺpci. Dve kľúčové environmentálne premenné modulované regionálnymi meteorologickými zmenami, dobou zotrvania jazera a tepelnou stabilitou predpovedali načasovanie výskytu typov spoločenstiev každý rok s presnosťou 75% a každá korešpondovala s rôznymi aspektmi variácie v zložení komunity (ortogonálne ordinačné osi). Sezónna variácia zdroja rozpustenej organickej hmoty bola charakterizovaná fluorometricky v roku 2005 a bola vysoko korelovaná s celkovou variáciou v štruktúre bakteriálnej komunity ( r Mantel = 0, 75, P <0, 001) as relatívnym príspevkom špecifických fylotypov v cyanobaktériách, aktinobaktériách a β-proteobaktériách., Sezónna dynamika bakteriálnych rezov (sledovaná spojovaním knižníc náhodných sekvencií klonov s odtlačkami prstov s obmedzenou dĺžkou fragmentu polymorfizmu) zodpovedala predchádzajúcim výsledkom z vysokohorských jazier a rôzne sa týkala vstupov rozpustených látok, tepelnej stability a teploty. Celkovo tieto výsledky opisujú fenológiu spoločenstiev s vysokou nadmorskou výškou, bakterioblanktonov spojených s fyzikálnymi a chemickými charakteristikami jazier ovplyvnených klímou, o ktorých je už známe, že regulujú štruktúru eukaryotickej planktónovej komunity.

úvod

Predpovedanie dopadov zmeny životného prostredia na ekosystémové procesy si vyžaduje teoretické a praktické pochopenie vzťahov medzi štruktúrou ekologických spoločenstiev, ekosystémovými procesmi a abiotickým prostredím. Prokaryoty a iné mikroorganizmy majú dôležitú funkciu v mnohých základných biogeochemických procesoch (Fuhrman et al., 1989; Conrad, 1996; Cotner a Biddanda, 2002) a mikrobiálna komunitná štruktúra je spojená s rýchlosťou a dynamikou týchto procesov (Cottrell a Kirchman), 2000; Covert a Moran, 2001; Carlson a kol., 2002). Ekologická teória vedie výskum vzťahov medzi štruktúrou a funkciou Spoločenstva, ale drvivá genotypová a fenotypová diverzita mikroorganizmov v prírodných prostrediach zmätie úsilie pripisovať makroorganizmové koncepcie zhromažďovania spoločenstiev mikrobiálnemu svetu (Finlay, 2002; Prosser et al., 2007).,

Fenológia, načasovanie periodických biologických javov všeobecne spojených s abiotickými alebo klimatickými faktormi, je znakom mnohých prírodných spoločenstiev. Hoci je pravdepodobné, že sezónne zmeny v environmentálnych faktoroch spôsobia predvídateľnú sezónnosť v mikrobiálnej komunitnej štruktúre, vykonalo sa iba niekoľko štúdií skúmajúcich povahu a faktory mikrobiálnej fenológie. Okrem toho môžu antropogénne zmeny v podnebí a vo využívaní pôdy zmeniť sezónne zmeny v abiotických podmienkach a mikrobiálnych spoločenstvách s dôsledkami na biodiverzitu a fungovanie ekosystémov, čo vedie k pochopeniu mikrobiálnej fenológie relevantnej pre hodnotenie vplyvov človeka na ekosystémy (Chapin et al., 2000; Walther a kol., 2002).

Obrovská diverzita, malá veľkosť, veľké populácie, rýchle generácie, vysoká pravdepodobnosť dispergovania, funkčná redundancia a genomická / fenotypová plasticita baktérií môžu spôsobiť pozoruhodný stupeň intra- a medziročnej variability zloženia spoločenstiev (Ochman et al., 2000; Curtis a Sloan, 2004). Väčšina štúdií, ktoré skúmali sezónnu dynamiku prokaryotických spoločenstiev, zaznamenala významné časové trajektórie počas sezón, ale neúplné alebo nekonzistentné medziročné cykly (Lindstrom, 1998; Crump a kol., 2003; Stepanauskas a kol., 2003; Yannarell a kol., 2003). Kent a kol., 2004). Možno nie je prekvapujúce, že nedávne snahy o kvantifikáciu synchrónnej časovej variácie v priestorovo segregovaných mikrobiálnych komunitách z podobných prostredí sa stretli s určitým úspechom, pravdepodobne čiastočne z dôvodu homogenizácie regionálnej klimatickej variability medzi študijnými miestami (Crump a Hobbie, 2005; Kent et al. ., 2007). Súbor nedávnych štúdií o jazerách, potokoch, ústí riek, pobrežných a otvorených morských prostrediach preukázal opakujúce sa viacročné vzorce v štruktúre spoločenstiev bakterioplanktónu spoliehaním sa na vysokofrekvenčné viacročné súbory údajov (Morris et al., 2005; Fuhrman et al. ., 2006; Hullar a kol., 2006; Kan a kol., 2006; Shade a kol., 2007).

Skúmanie časovej dynamiky zloženia bakteriálnych spoločenstiev v izolovaných prostrediach chudobných na zdroje so silnou sezónnosťou môže obmedziť mnoho potenciálnych zdrojov variability v prokaryotickej štruktúre spoločenstva, čo umožňuje jasné a podrobné porozumenie mikrobiálnej fenológie. Výškové jazerá sú ideálnymi systémami pre tento prístup, pretože sú dobre obmedzené, zriedené a neproduktívne prostredia vzdialené od ľudského vplyvu. Okrem toho majú tieto systémy veľké a relatívne predvídateľné sezónne výkyvy v dostupnosti živín, primárnej produkcii, vonkajších vstupoch a fyzikálnych vlastnostiach (Melack et al., 1997). Ekosystémy s vysokou nadmorskou výškou a s vysokou zemepisnou šírkou sa považujú za systémy včasného varovania na zisťovanie ekologických reakcií na globálne environmentálne zmeny z dôvodu ich citlivosti na antropogénne narušenie a regionálne klimatické zmeny (Beniston a kol., 1997; Melack a kol., 1997; Carrera a kol., 2002; Fenn a kol., 2003; Sickman a kol., 2003b; Morales-Baquero a kol., 2006b). Montánske jazerá na celom svete sú čoraz viac ovplyvňované atmosférickým ukladaním živín a znečisťujúcich látok (Psenner, 1999), čo sú faktory, ktoré priamo ovplyvňujú metabolizmus a štruktúru spoločenstiev baktérií (Cotner a kol., 1997; Carlson a kol., 2002; Haukka a kol., 2002) ., 2006). Pri biogeochemických a potravinových sieťach v oligotrofných vodných prostrediach, ako sú tieto, sa predpokladá, že budú dominovať mikrobiálny metabolizmus (Biddanda a kol., 2001), z čoho vyplýva, že pochopenie úlohy prokaryot v týchto prostrediach je relevantné pre predpovedanie ekologických reakcií na životné prostredie na úrovni systému. nezmení. A nakoniec, systémy s vysokou nadmorskou výškou a s vysokou zemepisnou šírkou vykazujú veľké časové zmeny v zdroji a zložení rozpustenej organickej hmoty, čo je základné spojenie medzi funkciou ekosystému a štruktúrou spoločenstva heterotrofných baktérií, čo z nich robí ideálne systémy na skúmanie tohto kľúčového vzťahu ( Crump a kol., 2003; Hood a kol., 2003; Judd a kol., 2006; Perez a Sommaruga, 2006).

Štúdia podrobne opísaná tu skúmala zloženie bakteriálnej komunity v priebehu 3 rokov vo vodnom stĺpci vysokohorského cirkusového jazera v Sierra Nevada v Kalifornii (USA). Metódy odtlačkov prstov v komunite založené na PCR sa kombinovali so konštrukciou viacerých randomizovaných knižníc klonových sekvencií, aby sa poskytli odhady relatívneho množstva špecifických bakteriálnych fylotypov v čase a priestore, ako aj vzťah medzi zložením bakteriálnej komunity s rôznymi meranými fyzikálnymi a biogeochemickými premenné. Výsledky ukazujú predvídateľnú fenológiu štruktúry bakteriálnych spoločenstiev v Emerald Lake súvisiacu s fyzikálnymi a chemickými parametrami jazera. Analýza klonovej knižnice umožnila odhad rozmanitosti a fylogenetických rozdielov v bakteriálnej komunite v rôznych obdobiach. Časová dynamika štruktúry bakteriálnych spoločenstiev bola spojená s medziročnými zmenami počasia, ako aj so sezónnymi prechodmi v povodiach a tepelnou štruktúrou jazera, čo podporilo dôkazy o základných väzbách medzi zložením organických látok, dostupnosťou živín, klimatickými silami a štruktúrou bakteriálnych spoločenstiev.

výsledok

Medziročné zmeny vlastností jazier

Obdobie odberu vzoriek v rokoch 2004 - 2006 zahŕňalo celý rad regionálnych meteorologických modelov, pričom rok 2004 bol relatívne suchým rokom a roky 2005 a 2006 vykazovali takmer rekordné trvanie zrážok v zime a snehu (obrázok 3). Špičkový prietok snežnej túry v roku 2004 bol <10 000 m 3 d −1, tavenina sa predlžovala od konca apríla do polovice júna a ľadová pokrývka na jazere sa roztopila koncom mája. Naopak, obe roky 2005 a 2006 vykazovali najvyššie hodnoty prietokov> 40 000 m 3 d −1, pričom snehová pokrývka sa tiahla od polovice mája do konca augusta a jazero zostalo úplne pokryté ľadom až do polovice júla. Trvanie a rozsah letnej stratifikácie (merané ako tepelná stabilita) boli v roku 2004 väčšie ako v rokoch 2005 a 2006 a dĺžka vegetačného obdobia bola v posledných rokoch výrazne skrátená. Priemerné integrované zásoby rozpusteného a časticového organického uhlíka v roku 2004 boli takmer dvojnásobné v porovnaní s rokmi 2005 a 2006 a miera primárnej výroby a koncentrácie chlorofylu a boli v roku 2004 v priemere vyššie ako v posledných 2 rokoch (údaje nie sú uvedené). Stabilný pokles koncentrácií dusičnanov jazera počas letného obdobia so znižujúcimi sa vstupmi snežnej taveniny bol konzistentný vo všetkých 3 rokoch, ako sa už predtým pozorovalo v mnohých výškových prostrediach (napríklad Sickman et al., 2003a).

Image

Typy bakteriálnych spoločenstiev a hodnoty fyzikálnych premenných v jazere Emerald Lake, 2004 - 2006. ( a ) ukazuje distribúciu typov odtlačkov prstov spoločenstva TRFLP (definovaných na obrázku 1) v čase v rôznych hĺbkach vo vodnom stĺpci, ako aj vo vstupnom prúde. b ) ukazuje tepelnú stabilitu jazera v každom čase odberu vzoriek na základe teplotných profilov. ( c ) ukazuje teplotu vo výstupnom prúde. d ) ukazuje hĺbku spriemerovanú koncentráciu dusičnanov vo vodnom stĺpci a e ) zobrazuje prietok vo výstupnom prúde, meraný pomocou tlakového prevodníka na výstupnej hate a vypočítaný teoretický čas hydraulického zotrvania jazera. TRFLP, polymorfizmus dĺžky koncových reštrikčných fragmentov.

Obrázok v plnej veľkosti

Časové vzorce v bakteriálnej komunitnej štruktúre

Sedem rôznych typov bakteriálnych spoločenstiev bolo definovaných z viacrozmerného zhlukovania vzoriek podľa podobnosti v odtlačkoch prstov TRFLP (obrázok 2). Prichádzajúce suchozemské odtokové spoločenstvá sa odlišovali od spoločenstiev jazier počas všetkých 3 rokov, hoci počas období snehu boli vstupné spoločenstvá podobné jezerným spoločenstvám ako v iných obdobiach roka (obrázky 2 a 3). Spoločnosti jazier boli počas dátumov odberu vzoriek podobné ako medzi dátumami, keď bol vodný stĺpec dobre zmiešaný (obrázok 3), ale vzdialenosť spoločenstiev v celom stĺpci vody k danému dátumu bola pozitívne spojená so vzdialenosťou vodného stĺpca a stupňom stratifikácie (obrázok 4). ). Počas silne stratifikovaných období boli epilimnetické a hypolimnetické spoločenstvá dostatočne odlišné na to, aby sa dali zoskupiť do samostatných typov spoločenstiev, pričom hypolimnetické spoločenstvá sa všeobecne zoskupili so vzorkami z predchádzajúceho dátumu odberu vzoriek (obrázok 3).

Image

Vzťah medzi tepelnou stabilitou jazera a rozdielnosťou v bakteriálnej komunite (merané ako Sorensenova vzdialenosť medzi vzorkami TRFLP) pre páry vzoriek oddelené danými vzdialenosťami vodného stĺpca (hĺbkové rozdiely). Každý dátový bod predstavuje vzdialenosť spoločenstva medzi dvoma vzorkami vo vodnom stĺpci Emerald Lake počas období bez ľadu v rokoch 2004 a 2005, ktoré sú kódované symbolmi podľa rozdielu v hĺbke medzi pármi. Konkrétne vzdialenosti 2 m zahŕňajú povrch: dvojice vzoriek 2 m a 2: 4 m, vzdialenosť 4 m zahŕňa povrchy: 4 ma 4: 8 m, vzdialenosť 6 m je dvojica 2: 8 ma 8 m vzdialenosť je povrch: pár 8 m pre jednotlivé dátumy odberu vzoriek. Vzorky povrchov boli odoberané až v roku 2005. Počas stratifikovaných období leží termoklín medzi 4 a 6 m. Všimnite si, že rozdielnosť v spoločenstve sa zvyšuje so zvyšujúcou sa intenzitou stratifikácie a sklon tohto vzťahu sa zvyšuje so zväčšenou vzdialenosťou (hĺbkové rozdiely) medzi vzorkami vo vodnom stĺpci. Rozdiely Spoločenstva v epilimnetických vzorkách od seba vzdialených 2 m nesúviseli s intenzitou stratifikácie, pravdepodobne v dôsledku denného a veterného miešania v epilimnionu. TRFLP, polymorfizmus dĺžky koncových reštrikčných fragmentov.

Obrázok v plnej veľkosti

Pozorovalo sa, že sa tri zo šiestich typov spoločenstiev jazier v priebehu rokov opakovali vo viacerých vzorkách, zatiaľ čo zostávajúce typy boli špecifické pre daný rok a pozorovali sa iba počas stratifikovaných období (obrázky 2 a 3). Komunity boli medziročne najpodobnejšie počas pádu po prevrátení konvekcií počas všetkých 3 rokov (skupina prepadnutia na jeseň). Spoločnosti jazier počas období vrcholku snehu (pred odtokom ľadu) boli podobné v rokoch 2005 a 2006 (skupina Snowmelt; toto obdobie nebolo odobraté do vzorky v roku 2004), ako boli komunity jazier nájdené počas skorej stratifikácie po odtoku v rokoch 2004 a 2005 (odtok ľadu). Skupina - toto obdobie nebolo odobraté do vzorky v roku 2006; obrázky 2 a 3). Typy spoločenstiev jazier sa významne líšili v priemernom poradí, dobe zotrvania a tepelnej stabilite a diskriminačná analýza s použitím doby zotrvania a samotnej tepelnej stability úspešne určila typ bakteriálnej komunity pre 75% vzoriek (tabuľka 1).

Tabuľka v plnej veľkosti

Korelácia medzi štruktúrou spoločenstva a environmentálnymi parametrami

Vzorky bakteriálnych rDNA boli zoradené do dvoch rozmerov pomocou NMS podobnosti komunity TRFLP (obrázok 5c), pričom tepelná stabilita jazera a doba hydraulického zotrvania silne korelovali s príslušnými osami NMS (obrázky 5b a d). Hoci bol DOM FI meraný iba v roku 2005, silne súvisel s osou 2 NMS a silnejšie koreloval s hodnotami osí NMS ako ktorákoľvek iná premenná v danom roku (obrázok 5a). Ďalšími premennými, ktoré významne súviseli so skóre NMS v osách v 3-ročnom súbore údajov, boli teplota, dusičnan, uhlík vo forme častíc, dusík vo forme častíc, DOC, DON a chlorofyl a ( P <0, 01, r2 = 0, 15–0, 27). Korelácie medzi vzdialenosťami TRFLP Sørensen a environmentálnymi vzdialenosťami pomocou algoritmu BIO-ENV podporili silnú koreláciu medzi štruktúrou spoločenstva a hydraulickým časom zotrvania ( r Mantel = 0, 64), pričom sa pridala tepelná stabilita, teplota, dusičnany a DON okrajovo posilnili vzťahy ( r Mantel = 0, 73 medzi TRFLP spoločenskou vzdialenosťou a euklidovskou vzdialenosťovou maticou generovanou zo všetkých piatich parametrov (tabuľka 2). V roku 2005 mala matica vzdialenosti vygenerovaná iba z hodnôt DOM FI takmer tak silnú koreláciu so vzdialenosťou komunity TRFLP ako matica environmentálnej vzdialenosti vygenerovaná z piatich premenných použitých v konečnom modeli uvedenom vyššie (tabuľka 2; r Mantel = 0, 75 a 0, 81). na koreláciu medzi vzdialenosťami TRFLP a maticami generovanými buď z FI, alebo z piatich premenných, s použitím iba údajov z roku 2005).

Image

NMS vysporiadanie vzoriek odtlačkov prstov jazera TRFLP vo vzťahu k deskriptorom prostredia. ( c ) je dvojrozmerné riešenie NMS so symbolmi kódovanými podľa skupín definovaných na obrázku 1 (konečné napätie = 18, 7, kumulatívne r2 medzi ordinačnými vzdialenosťami a pôvodnými vzdialenosťami = 0, 77, osi 99, 2% ortogonálne, n = 80). Panely ( a, b a d ) zobrazujú vzťahy medzi ordinačnými osami a najsilnejšími univariačnými nezávislými premennými pre každú z nich. Všimnite si, že zvýšené hodnoty FI sú spojené so zvýšeným relatívnym príspevkom autochtónnej DOM. DOM, rozpustená organická hmota; FI, fluorescenčný index; NMS, nemetrické viacrozmerné škálovanie; TRFLP, polymorfizmus dĺžky koncových reštrikčných fragmentov.

Obrázok v plnej veľkosti

Tabuľka v plnej veľkosti

Časová dynamika a environmentálne koreláty bakteriálnych fylotypov

Kvôli lepšiemu pochopeniu sezónnej dynamiky špecifických taxónov baktérie bakterioflanktónu som vypočítal relatívne hojnosti pre každú z ôsmich dominantných bakteriálnych rezov spočítaním relatívnych plôch píkov TRFLP patriacich danej kladu (obrázok 6 a doplňujúce informácie). Väčšina čepelí sa skladala z klonov, ktoré vykazovali jednu až štyri dĺžky fragmentov TRFLP, hoci skupina Burkholderiales v ß-proteínových baktériách obsahovala 12 dĺžok fragmentov (tabuľka 3 a obrázok 6). Štatisticky variácia v relatívnom zastúpení týchto ôsmich kladov dominovala celkovej variácii štruktúry komunity, pričom sa úspešne klasifikovalo 95% vzoriek TRFLP do typov spoločenstiev definovaných na obrázku 2 (Wilk's Lambda, P <0, 0001).

Image

Fylogenetický strom jedinečných klonov Emerald Lake. Každý klon je označený odhadovanou konečnou dĺžkou obmedzenia po štiepení kremíkom Hae III. Farebné stĺpce siahajúce napravo od každého ID klonu predstavujú počet duplikátov klonov nájdených v každej environmentálnej vzorke (upravené s najmenšími stĺpcami rovnajúcimi sa jednému klonu). Výsečové grafy vycentrované na základni dominantných rezov predstavujú distribúciu klonovej frekvencie medzi štyrmi vzorkovanými časmi v jazere: veľkosť výsečového grafu ukazuje% z celkového počtu klonov patriacich k tomuto kmeňu, zatiaľ čo farby v výsečovom grafe označujú relatívnu frekvenciu clade v knižniciach klonov z každej zo štyroch vzoriek (napríklad a-Proteobaktérie boli väčšou frakciou klonov jazera zo 6. júna 2005 ako klonov jazier z 31. júla 2005).

Obrázok v plnej veľkosti

Tabuľka v plnej veľkosti

Vo všeobecnosti boli črevá medzi sezónami v jazere nerovnomerne zastúpené, pričom vo vzorkách v skorej sezóne dominovali Flavobacteria a β-Proteobaktérie a vo vzorkách v neskorej sezóne dominovali Actinobacteria a Sphingobacteria. Podiel na celkovom relatívnom zastúpení dĺžok fragmentov, ktoré prispelo osem dominantných čepelí, bol spravidla vyšší počas vegetačného obdobia (koniec júla až september), zatiaľ čo menej bežné fylotypy vykazovali väčšie zastúpenie v komunite, čo malo za následok vyššiu rovnomernosť, počas zimného obdobia a topenia snehu. obdobia (tabuľka 3, obrázok 7). Flavobaktérie tvorili väčšiu časť komunity počas ľadovcov a stratifikácie v roku 2006 a aktinobaktérie sa stali dominantnými počas stratifikovaných období. Burkholderiales vo všeobecnosti tvoril veľkú časť komunity vo všetkých ročných obdobiach, zatiaľ čo verrukomikrobióny boli vo všeobecnosti malou časťou spoločenstva s miernymi vrcholmi v relatívnom množstve počas ľadu a stratifikácie 2005. Sphingobaktérie a metylofily tvorili väčšiu časť komunity počas topenia snehu. a ľadom, pričom sfingobaktérie vykazujú ďalší relatívny početný vrchol počas prevrátenia, zatiaľ čo cyanobaktérie vykazujú maximálny relatívny početnosť počas stratifikácie (2005) a prevrátenie, obdobia vrcholnej primárnej produkcie v jazere (údaje nie sú uvedené). Vo vstupnej komunite dominovali Microbacteriaceae a Burkholderiales z Actinobacteria a P-Proteobacteria.

Image

Dočasná dynamika dominantných bakteriálnych bokov v hĺbke 2 mv Emerald Lake od júna 2004 do októbra 2005. Každá farba predstavuje sčítaný relatívny príspevok píkov TRFLP s dĺžkami fragmentov, ktoré patria danej fylogenetickej kladke, k celkovej ploche píkov TRFLP pre vzorky odobraté pri 2 m hĺbka. TRFLP, polymorfizmus dĺžky koncových reštrikčných fragmentov.

Obrázok v plnej veľkosti

DOM FI, ktorá bola environmentálnou premennou s najsilnejším vzťahom k štruktúre spoločenstva v roku 2005 (tabuľka 2), pozitívne korelovala s relatívnym výskytom cyanobaktérií a obidvoch aktinobaktérií a negatívne korelovala s obidvomi rezmi β-proteobaktérií. Postupne sa použili viacnásobné regresie na stanovenie podielu variácií v relatívnom množstve dominantných rezov vysvetlených rôznymi faktormi prostredia (tabuľka 3). Koeficienty stanovenia pre multivariačné modely sa pohybovali od 0, 14 (Verrucomicrobia) do 0, 84 (Methylophilales) s priemerom 0, 41. Čas zotrvania jazera a tepelná stabilita významne súviseli s relatívnym prínosom každej jaskyne, s výnimkou Burkholderiales a Cellulomonadaceae, ktoré súviseli s koncentráciou a teplotou dusíka. Teplota tiež významne súvisí s relatívnym prínosom sfingobaktérií a metylofíl. DOC bol slabo, ale významne súvisiaci s relatívnym výskytom cyanobaktérií a TP významne súvisel s relatívnym výskytom Flavobaktérií.

diskusia

Charakterizácia mikrobiálnej fenológie

Zriadenie opakujúcich sa medziročných štruktúr v komunitách bakterioflanktónu zdôraznených tu a inde, ako aj korelácie medzi týmito modelmi a fyzikálnymi a chemickými premennými, poskytuje dôležité nové informácie o opise a možných hnacích prvkoch štruktúry mikrobiálnych spoločenstiev (Morris et al., 2005; Fuhrman; a kol., 2006; Hullar a kol., 2006; Kan a kol., 2006; Martiny a kol., 2006; Shade a kol., 2007). Keďže v spoločenstvách rastlín a živočíchov boli široko pozorované predvídateľné fenologické vzorce, ich vymedzenie v spoločenstvách bakterioplanktónu podporuje koncepciu, podľa ktorej sa všeobecné ekologické zásady môžu uplatňovať na makro- aj mikroorganizmy. V jednej z prvých štúdií, ktoré poskytli vysokofrekvenčný, viacročný súbor údajov o zložení bakterioplanktónu v komunite, Morris a kol. (2005) preukázali, že špecifické dominantné fylotypy vykazujú opakujúce sa populačné vzorce spojené s konvektívnym prevrátením a stratifikáciou na stanici Bermuda Atlantic Time Series v Sargasovom mori. Nedávno Fuhrman a kol. (2006) a Shade a kol. (2007) použili podobné 6-ročné súbory údajov na preukázanie konzistentných fenologických vzorcov v bakteriálnych spoločenstvách v pobrežných a jazerných ekosystémoch, pričom obe štúdie určili súbor fyzikálnych, chemických a biologických premenných vrátane teploty vody, režimu miešania, dostupnosti živín a rast fytoplanktónu, ktorý koreloval so štruktúrou bakteriálnej komunity. Výsledky tejto štúdie rozširujú tieto zistenia a demonštrujú predvídateľné sezónne vzorce tak v celkovom zložení bakterioplanktonu v komunite, ako aj v relatívnej dynamike hojnosti špecifických bakteriálnych fylotypov a každý z nich súvisí s medziročnými schémami špecifických fyzikálnych a chemických premenných prostredia.

Načasovanie limnetických prechodov týkajúcich sa stability vodného stĺpca a času hydraulického zotrvania, ktoré sú zase spojené s klimatickými podmienkami, je vo vysokej korelácii s fenológiou bakterioflanktonu v jazere Emerald Lake. Sezónnosť fytoplanktónu bola pozorovaná a študovaná rozsiahle v priebehu minulého storočia a mnoho štúdií na malých dimiktických jazerách kategorizovalo výskyt predvídateľných typov spoločenstiev podľa sezónnych fyzikálnych prechodov podobných tým, ktoré sú definované v tejto štúdii pre fenológiu bakterioflanktónu (Sommer et al., 1986 ; Reynolds, 2006). V oceáne je výskyt definovaných typov spoločenstiev fytoplanktónu do značnej miery predvídateľný čiastočne na základe interakčných gradientov dostupnosti živín a režimu zmiešavania (Margalef, 1978; Smayda a Reynolds, 2001). Tieto osi fyzikálno-chemickej variability môžu byť analogické s osami pozorovanými v tejto štúdii (čas zotrvania a tepelná stabilita), čo naznačuje, že fenológia eukaryotických aj bakteriálnych mikrobiálnych spoločenstiev v pelagických ekosystémoch je regulovaná podobnými procesmi. V Emerald Lake je dostupnosť živín silne korelovaná s hydraulickým časom zotrvania dvoma kľúčovými procesmi dodávania živín spojených s topením snehu: pulz dusičnanov z topenia snehových zrážok (napríklad Sickman et al., 2003a) a preplachovanie domorodej DOM z povodia. pôda a vegetácia (Boyer a kol., 1997; Hood a kol., 2005).

Prepojenie zdroja DOM so štruktúrou bakteriálnej komunity

Ukázalo sa, že zdroj a zloženie súboru organických látok vo vodnom prostredí opakovane súvisia so štruktúrou a funkciou bakteriálneho spoločenstva (Cottrell a Kirchman, 2000; Covert a Moran, 2001; Carlson a kol., 2002; Judd a kol., 2006; Langenheder a kol., 2006; Perez a Sommaruga, 2006; Kritzberg a kol., 2006b). Táto štúdia demonštruje silný vzťah medzi štruktúrou spoločenstva bakterioflanktónu a sezónnymi posunmi v zdroji DOM (alochtónne verzus autochtónne, merané pomocou FI; obrázok 5, tabuľka 3). Crump a kol. (2003) poznamenali, že posuny v štruktúre a produkcii bakteriálnych spoločenstiev v Arktickom jazere trvajúce viac ako 1 rok boli spojené s prílivom suchozemskej organickej hmoty počas topenia snehu a následným obdobím in situ výroby DOM získaného z fytoplanktónu. Súbor nedávnych experimentálnych štúdií, ktoré skúmali schopnosť DOM z rôznych zdrojov meniť štruktúru a funkciu komunity bakterioplanktónu, preukázal, že komunity sa zvyčajne posunú, aby zhodovali substráty DOM z rôznych zdrojov naprieč krajinou alebo medzi jazerami (Judd et al., 2006 ; Kritzberg a kol., 2006a), hoci tieto vzorce nie sú konzistentné vo všetkých systémoch (Langenheder a kol., 2005, 2006).

Nedávne experimentálne štúdie na vysokohorských jazerách ukázali, že zastúpenie aktinobaktérií v komunitách bakterioplanktónu sa zvyšuje s pridaním terénnej DOM a že bakteriálnym spoločenstvám rýchlo dominuje β-proteobaktérie s pridaním lyzátu rias (Perez a Sommaruga, 2006)., V tejto štúdii naznačujú korelácie medzi FI a relatívnym výskytom aktinobaktérií a β-proteobaktérií (tabuľka 3), ako aj časové vzorce relatívnych výskytov oboch klonov (obrázok 6) a píkov TRFLP (obrázok 7), že Actinobacteria sú väčšia zložka bakteriosplantónového spoločenstva, keď je dominantná organická hmota odvodená od fytoplanktónu, zatiaľ čo β-proteobaktérie sú dominantné počas topenia snehu a ľadu, keď je DOM primárne získavaná z domácich zdrojov. Aj keď sa zdá, že tieto výsledky a výsledky Pereza a Sommarugy (2006) sú v konflikte, je dôležité pamätať na obmedzenia odhadov relatívnej hojnosti a uvedomiť si, že rovnaké kľúčové bakteriálne skupiny boli zdôraznené ako reakcie na posuny v zložení a zdroji DOM v obidvoch štúdiách. Okrem toho obohatenia riasového lyzátu, ktoré použili Perez a Sommaruga (2006), obsahovali 10-násobne viac fosforu ako obohatenie DOM v pôde. Experimentálne štúdie obohacovania živín uskutočňované v Emerald Lake ukázali, že obohacovanie fosforom má tendenciu znižovať relatívny výskyt aktinobaktérií a zvyšovať výskyt β-proteínových baktérií, čo je podobné výsledkom ako v prípade Perez a Sommaruga (2006), čo naznačuje, že obohacovanie živinami a zdroj DOM môžu interagujú tak, aby ovplyvnili relatívne hojnosť týchto kľúčových skupín (CE Nelson a CA Carlson, v prehľade).

Fenológia baktérií vo vysoko položených vodných ekosystémoch

Vo svojej základnej štúdii o populačnej dynamike bakterioplanktónu v období 1 roka vo vysokohorskom vysokohorskom jazere Pernthaler et al. (1998) asociovali hlavné posuny v morfologickej a fylogenetickej štruktúre bakteriálnych komunít s limnetickými fyzickými prechodmi, vrátane zamrznutia, letnej stratifikácie a jesenného prevrátenia. V kombinácii so sprievodnou štúdiou vykonanou na rovnakom jazere (Glockner a kol., 2000), ich práca preukázala silné a predvídateľné sezónne zmeny v relatívnom množstve dominantných bakteriálnych skupín (Actinobacteria, β-Proteobacteria a Bacteroidetes; aka CFB) podobné tie sú tu podrobne uvedené pre Emerald Lake. V obidvoch štúdiách bolo maximum v relatívnom množstve β-Proteobaktérií spojené so zmiešaním snehu, ľadu a jarného miešania, po ktorom nasledoval vrchol stredného pokoja v Actinobacteria, pričom maximá v relatívnom množstve baktérií Bacteroidetes sa vyskytovali počas období miešania, vrátane prevrátenia a ľadu (tabuľka 3). Ďalšia práca odvtedy preukázala, že β-proteobaktérie a aktinobaktérie tvoria dominantné podiely metabolicky aktívnej bakteriálnej komunity vo vysokohorských jazerách (Perez a Sommaruga, 2006), pričom Actinobacteria je prispôsobená vysokým úrovniam ultrafialového svetla (Warnecke et al., 2005) a obe skupiny predpokladali, že budú obývať kontrastné miesta, pokiaľ ide o sezónnu dostupnosť aloktónového materiálu. Podobne boli obe skupiny dominantnými členmi komunity Emerald Lake počas celého roka, pričom ich populačná dynamika súvisela s dočasnými zmenami v zdrojoch dusičnanov, DON, teploty a DOM (tabuľka 3), čo boli všetky faktory spojené s kolísaním vstupov do snehových tavenín.

Definovanie fenologických zmien v mikrobiálnych spoločenstvách je prvoradé, pretože zmeny v štruktúre mikrobiálnych spoločenstiev sú spojené so zmenami základných vlastností ekosystému vrátane pelagického metabolizmu a vývozu organických látok (napríklad Carlson a kol., 1998; Steinberg a kol., 2001; Winder a Schindler, 2004; Morales-Baquero a kol., 2006a). Nedávne klimatické zmeny viedli v západných Spojených štátoch k čoraz skoršiemu nástupu jari a niektoré modely predpovedajú, že otepľovanie môže viesť k zvyšujúcim sa rozdielom v rozsahu a načasovaní zimných zrážok v horských oblastiach (Beniston et al., 1997; Cayan) a kol., 2001). Keďže táto štúdia zahŕňala rozdielne extrémy veľkosti a trvania zimných snehových baniek v Sierra Nevade, tieto výsledky zdôrazňujú význam medziročných klimatických zmien pre fenológiu baktérií. Okrem preukázania predvídateľnej prokaryotickej fenológie, nedávna práca porovnala časové a priestorové vzorce štruktúry bakterioblanktonu v morfologicky komplexných povodiach jazier, čo poskytuje dôkaz, že časové vzorce v zložení bakteriálnych spoločenstiev súvisia skôr s regionálnymi meteorologickými vzormi ako s priestorovou environmentálnou heterogenitou (Stepanauskas et al., 2003; Kan a kol., 2006) a že neprepojené vodné ekosystémy v rovnakom regióne vykazujú synchrónnu dynamiku bakteriálnych spoločenstiev (Crump a Hobbie, 2005; Kent a kol., 2007). Viac dôkazov o kontrole bakteriálnych spoločenstiev regionálnymi klimatickými procesmi možno nájsť vo väzbách medzi štruktúrou spoločenstva bakterioplanktónu a štruktúrou fytoplanktónu (Kent a kol., 2004; Pinhassi a kol., 2004).

Stratifikácia a diferenciácia komunít bakterioplanktónu

Rozdiel medzi komunitami bakterioflanktonu v rôznych hĺbkach v Emerald Lake sa zvyšoval so zvyšovaním tepelnej stratifikácie so zvyšujúcimi sa rozdielmi v spoločenstvách oddelenými väčšími hĺbkami (obrázok 4). Merania teplotných profilov v Emerald Lake ukázali, že tepelná stabilita sa počas jarného otepľovania stabilne zvyšuje (obrázky 3b a c), čo naznačuje, že komunity v rôznych hĺbkach počas tohto obdobia zažívajú predĺžené obdobia izolácie. Tieto výsledky preto podporujú myšlienku, že diferenciácia mikrobiálnych spoločenstiev sa prispôsobuje dĺžke a vzdialenosti fyzickej izolácie (Papke a Ward, 2004). Rozvrstvenie letných jazier viedlo k rozdielom v typoch spoločenstiev bakterioplanktonu v rôznych hĺbkach, ako aj k vzniku spoločenstiev, ktoré vykazovali nízku medziročnú podobnosť (obrázok 3). Počas stratifikovaných období, vrátane letných aj zimných, sa vzory odtlačkov prstov TRFLP z hypolimiónu často zoskupovali bližšie so vzorkami zo susedných dátumov a vo všeobecnosti sa odlišovali od epilimnetických vzoriek.

Studies of temporal variation in bacterioplankton community structure in Wisconsin lakes have revealed similar patterns of decreased interannual similarity during summer stratification (Yannarell et al., 2003; Shade et al., 2007). During highly stratified periods, sporadic climatic events (for example, passing storms, wind-driven mixing, cloud cover) can have a larger impact on water-column density structure and concomitant biogeochemical dynamics than during mixed periods, with subsequent spatiotemporal resource heterogeneity possibly translating into unique environmental conditions that regulate the microbial community (MacIntyre et al., 2006). As microbial community dissimilarity increased with increasing distance of physical (depth) separation during stratified periods (Figure 4), these results suggest sensitive community responses to depth differences in environmental conditions, such as water temperature or light. Although not measured in this study, previous research in high-elevation lakes has emphasized the important function of solar radiation in structuring bacterial communities, with particular phylotypes adapted to the high flux of ultraviolet radiation found in shallow environments (Carrillo et al., 2002; Warnecke et al., 2005).

závery

This study presents evidence that bacterioplankton community structure in high-elevation lakes exhibits predictable seasonal patterns across years. These phenological patterns are largely predictable from inter- and intraannual variation in snowmelt inputs and lake thermal stability, suggesting that the physicochemical factors (nutrient availability and mixing regime) driving bacterioplankton seasonality are similar to those understood to regulate phytoplankton community structure in both lakes and the oceans. However, multivariate models incorporating these variables explained less than half of the variation in the relative abundances of specific bacterial clades, suggesting that other factors have an important function in driving microbial population dynamics. In Emerald Lake, a headwater lake receiving primarily terrigenous snowmelt inputs and temporal variation in dissolved organic matter source was highly correlated with shifts in community composition and with the relative abundances of several dominant taxa, supporting the idea that variation in the composition of this heterogeneous resource may be an important driver of bacterioplankton community dynamics. Bacterial communities in the lake exhibited greater variation throughout the water column during periods of increasing thermal stratification, suggesting that extended physical isolation and decreased community mixing may enhance phylogenetic differences in bacteria at different depths. Together, these results provide a clear framework for bacterioplankton phenology linked to regional meteorologic patterns, landscape processes and seasonal lake transitions, enhancing our understanding of how microbial communities respond to environmental factors at multiple scales.

Doplnková informácia

Word dokumenty

  1. 1.

    Doplnková informácia

    Doplňujúce informácie sprevádzajú dokument na webovej stránke časopisu ISME (//www.nature.com/ismej).