基于环境DNA宏条形码的鄱阳湖真核浮游植物多样性研究.pdf
《基于环境DNA宏条形码的鄱阳湖真核浮游植物多样性研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于环境DNA宏条形码的鄱阳湖真核浮游植物多样性研究.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、DOI:10.15928/j.1674-3075.202112110408收稿日期:2021-12-11修回日期:2023-04-11基金项目:江西省大学生创新创业训练计划重点项目(202210403062);国 家 重 点 研 发 计 划“蓝 色 粮 仓”重 点 专 项(2018YFD0900801)。作者简介:郭婷,1995年,女,硕士研究生,研究方向为生物多样性。E-mail:G通信作者:周春花,1979年生,女,博士,副教授,主要从事生物多样性研究。E-mail:基于环境DNA宏条形码的鄱阳湖真核浮游植物多样性研究郭 婷1,付智豪1,周春花1,陈金萍1,欧阳珊1,2,吴小平1,2(1.
2、南昌大学生命科学学院,江西 南昌330031;2.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室,江西 南昌 330031)摘要:探索鄱阳湖真核浮游植物多样性,可为环境DNA监测水生态系统的应用及标准化提供基础资料。于2019年4月在鄱阳湖北部通江水道湖区、中部鄱阳湖湖区和南部人工养殖湖泊区共设18个采样点,采集鄱阳湖环境水样,针对真核浮游植物18S rDNA 基因的V9区域进行PCR扩增,高通量测序并结合生物信息学技术分析鄱阳湖浮游植物的群落组成。结果表明,基于环境DNA宏条形码技术鉴定到浮游植物10门24纲54目101科166属,其中绿藻门和硅藻门种类较为丰富。中部区域的浮游植物群落多样性和均匀度较
3、高,且鄱阳湖浮游植物整体丰富度较高。非度量多维尺度分析(NMDS)表明,中部与北部区域(P=0.004)、南部与北部区域(P=0.011)之间群落结构差异显著。冗余分析表明,叶绿素a、pH、流速对各区域的浮游植物群落影响较显著。环境DNA宏条形码作为一种新兴的生物多样性监测手段,可快速检测鄱阳湖浮游植物生物多样性及其空间分布,为鄱阳湖生物多样性监测以及生态系统健康评估提供新的技术手段。关键词:环境DNA宏条形码;浮游植物;多样性;群落结构;鄱阳湖中图分类号:Q145文献标志码:A文章编号:1674-3075(2023)05-0067-09水 生 态 学 杂 志Journal of Hydroe
4、cologyVol.44,No.5第 44 卷第 5 期2023年9月Sep.2023浮游生物是水生生态系统的重要参与者之一,能够维持水体环境中食物网的结构和功能(Rubin&Leff,2007),浮游植物是水生态系统的主要初级生产者(Reynolds,1984),其群落和分布特征可以反映水体的环境变化和营养状态(Reynolds et al,1993;Chenet al,2003;Wu et al,2011)。目前,对于浮游植物的传统定量调查研究都是通过采集水样固定后沉淀,然后使用显微镜对其进行形态分类并计数(胡鸿钧和魏印心,2006;Soares et al,2011)。传统的监测方法在形
5、态鉴定方面存在一定困难,需掌握专业的分类学知识。浮游生物种类繁多且个体微小,导致难以实现大量样本镜检,容易产生人工误差(Xiao et al,2014;Bucklin et al,2016);此外,传统方法较难估计浮游植物的生物多样性,监测通常仅限于某些群体(Eiler etal,2013;Visco et al,2015)。近年来,快速发展的环境DNA(eDNA)技术提供了新的解决方案,可以更容易评估生态系统的生物多样性。从最简单的意义上讲,环境 DNA 是从任何类型的环境样本(土壤、水和空气等)中提取DNA,无需分离特定生物体(Thomsen&Willerslev,2015)。环境DNA宏
6、条形码(eDNA metabarcoding)技术通过对环境DNA序列分析即可检测物种的存在,无需干扰或者观察实际生物体(Bohmann et al,2014;Thomsen&Willerslev,2015),可用于描述具有高质量参考库的环境DNA的分类组成,提供了一种高效率、非侵入性的生物多样性调查方法,同时也提供了克服基于形态分类法生物评估局限性的机会(Yang&Zhang,2019)。但该方法也存在丰度较低的物种被过滤、采样流程等过程缺乏统一标准等问题(Bush et al,2019)。Bombin等(2020)使用环境DNA宏条形码技术,利用部分LSU rDNA和23S rDNA质体分
7、子标记,阐述了墨西哥北部湾滨海的藻类多样性。鄱阳湖是长江流域最大的通江湖泊,对维持区域生态平衡具有重要意义(Li et al,2019)。尽管人类活动和非生物因素对鄱阳湖的生态系统造成了较为严重的影响,但其作为中国最大的淡水湖泊,为本地经济发展提供了丰富的资源。因此,持续和长期的水质及生物监测对于保护这一生态系统至关重要(Wu et al,2013)。鄱阳湖浮游植物群落结构的动态变化及驱动机制成已成为研究热点(Chen et al,2013),2023 年 9 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 5 期但鲜见利用环境DNA宏条形技术的相关研究。本研究将环境DNA宏条形码技术应用于鄱阳湖浮游
8、植物群落调查,旨在揭示鄱阳湖浮游植物的组成及空间分布,为鄱阳湖水体环境变化监测提供一种新的技术手段,这种方法可长期稳定监测生态系统变化并有机会识别一些响应外部干扰的早期信号。1 材料与方法1.1 样品采集根据各样点的地理位置,将鄱阳湖划分为3个采样区域,共设18个采样点(图1),即北部区域(16)主要是通江水道湖区,中部区域(712)为鄱阳湖湖区,南部区域(1318)为人工养殖湖泊,即青岚湖和军山湖2个湖汊。于2019年4月进行水样采集,每个采样点使用容量为1 L的有机玻璃采水器采集样品,每个样点重复3次。样品保存在已灭菌并可密封的广口瓶中,置于冰盒上尽快送回实验室过滤。每个样品使用0.45
9、m的混合纤维素滤膜(天津津腾)和真空蠕动泵(Rocker400,中国台湾)进行抽滤。为了防止在抽滤过程中的DNA污染,在每次抽滤样品的同时,过滤同体积的超纯水作为空白对照。在样品抽滤完成之后,将富集DNA的滤膜分别装入在2 mL离心管中,-20保存直至提取。北部区域中部区域南部区域10 km采样点图1 鄱阳湖浮游植物采样点Fig.1 Location of the phytoplankton sampling sitesin Poyang Lake1.2 DNA提取获取的样本采用DNeasy Blood&Tissue Kit 试剂盒(DNeasy plant kit,QIAGEN,德国)进行滤
10、膜DNA的提取,最后用60L Elution Buffer洗脱DNA,保存于-20冰箱。为确保操作过程无污染,提取1张未使用的滤膜作为空白对照。使用 Qubit(ThermoFisher Scientific,中国)测量DNA浓度。1.3 PCR扩增利用通用引物针对真核浮游植物18S rDNA 基因的 V9 区域(长度约130 bp)进行PCR扩增(Amral-Zettler et al,2009),并设置阴性对照,确保测定过程中未受到 DNA 污染。引物前带有 8 个碱基的 barcode。25 L 反应体系包括正反向引物(10 M)各1 L,5reaction buffer 5 L,5GC
11、 buffer 5 L,dNTP(2.5 mM)2 L,DNA 模板 2 L,ddH2O 8.75L,Q5 DNA Polymerase 0.25 L。反应条件如下:98预变性2 min,30个循环包括98变性15 s、55退火30 s、72延伸30 s,72最后延伸5 min。每个样品重复扩增3份,将同一样品的PCR产物混合通过2%的凝胶电泳进行检测,PCR阴性对照和空白对照的样本均未出现扩增条带,表明在采样及实验操作过程中均未受污染。1.4 高通量测序将上述获取的DNA样本送至上海派森诺生物科技有限公司进行高通量测序,采用Illumina Miseq平台对样本DNA片段进行双端(Paire
12、d-end)测序。通过 QIIME 软件(Quantitative Insights Into MicrobialEcology,v1.8.0,http:/qiime.org/)调 用 USEARCH(v5.2.236,http:/ rRDA的参考数据库为 Protist Ribosomal Reference(PR2)(Guillou et al,2013)。1.5 数据分析物种分类信息使用NCBI中的taxonomy数据库进行校对。测定每个取样点的水深(WD),使用校准后的多参数水质检测仪(YSI,美国)分别测量并记录浊度(Turb)、水温(WT)、盐度(Sal)、溶解氧(DO)和pH,使
13、用叶绿素计(HL-168C06,中国)测量叶绿素浓度(Chl-a),使用流速仪(FP111,Global Water,精度为0.1 m/s)测量流速(V)。每个样点另外再采集500 mL水样保存在样品瓶中带回实验室,紫外分光光度法分析测定总氮(TN)和总磷(TP)含量。将每个采样点的水体理化因子求平均得到每个区域的水体理化因子值。682023 年第 5 期本文采用物种分类关系图表示部分浮游植物的物种组成。利用Chao1指数(Chao1index)反映群落丰富度,香农指数(Shannon index,H)、辛普森指数(Gini-Simpson index,GS)反映群落多样性程度,Pielou均
14、匀度指数(Pielou evenness index,J)度量群落中相对物种丰富度。基于Bray-Curtis距离矩阵进行非度量多维尺度分析(NMDS),通过相似性分析(ANOSIM)判别样本组间差异。采用降趋对应分析(DCA)完成对模型的选择,对浮游植物群落和环境因子的关系进行RDA分析。利用相关性Heatmap图直观观察各个群落与环境因子之间正负相关性程度。采用物种优势度(Y)表示浮游植物类群某一OTU所占的优势程度。各指数计算公式如下:H=-i=1SobsniNlnniN式中:Sobs为实际观测的OTU 数,ni为第i个OTU所含的序列数,N为所有的序列数。GS=1-DSimpson=1
15、-i=1Sobsni(ni-1)N(N-1)式中:Sobs为实际观测的OTU 数,ni为第i个OTU所含的序列数,N 为所有的序列数,DSimpson为经典Simpson指数。J=HlnS式中:H表示香农指数,S表示群落的OTU数。Y=(ni/N)fi式中:ni为第i种OTU的个数,N为所有OTU总个数,fi为第i种OTU在各采样点出现的频率。本文将优势度Y 0.02的OTU确定为优势种(白海锋等,2021)。以上数据在 R 语言、软件 SPSS 26.0.0.0、软件Canoco 5(赖江山,2013)、图图云平台(https:/)、生科云平台(https:/www.bioincloud.t
16、ech)以及基因云平台完成(https:/)完成。2 结果2.1 水环境因子鄱阳湖水体理化因子的空间分布见表1。3个区域的水温、溶解氧、总氮和总磷差异不明显。水温在20.1722.12,溶解氧在 7.268.66 mg/L,总氮在1.461.90 mg/L,总磷在 0.120.16 mg/L。各区域的水深、浊度、盐度、流速、pH和叶绿素a的差异较大,北部平均水深达到了9.17 m,流速达到了0.45 m/s,pH、总氮、总磷也比其他2个区域更高,中部的平均浊度最大(31.95),南部最小(8.82)。叶绿素a含量中部最高(12.89g/L)。中部和南部的水体pH呈弱碱性,北部水体呈弱酸性。表1
17、 鄱阳湖区域平均水体理化因子的空间分布Tab.1 Spatial variations of environmental factors in Poyang Lake区域北部中部南部水深/m9.173.133.833.355.171.44流速/ms-10.450.220.230.180.190.16浊度/NTU14.3220.8431.9520.678.828.44水温/20.170.5021.001.1022.121.70盐度733溶解氧/mgL-18.660.047.260.508.500.29叶绿素a/gL-16.923.7912.896.319.557.03pH6.850.217.00
18、0.587.070.07总氮/mgL-11.900.271.490.531.460.41总磷/mgL-10.160.040.160.060.120.042.2 藻类物种组成及空间分布根据区域将环境 DNA 宏条形码测序得到的OTU进行注释并分类,共检测到2 135个OTU,隶属于10门24纲54目101科166属188种(种未显示)(表2)。其中,硅藻门(345个OTU)和绿藻门(679个OTU)的种类最丰富,而定鞭藻门(8个OTU)未注释到属,褐藻门(12个OTU)仅注释到科。因此物种分类关系图只显示这4个门,且因未注释到属的OTU相对较多,均以未注释到显示。硅藻门中的圆筛藻纲相对丰度最高,
19、绿藻门中共球藻纲溪菜目的溪菜科相对丰度最高,同时也存在一些OTU未能准确鉴定到目或其他分类单元(图2)。从OTU的分布区域来看,南部的OTU数目比中部和北部的多。硅藻门的OTU主要分布在北部,绿藻门的OTU主要分布在南部,甲藻门、裸藻门的OTU主要分布在中部,金藻门、隐藻门的OTU则主要分布在南部。在鄱阳湖检测到的浮游植物群落组成序列相对丰度见图3。北部硅藻门的相对丰度最高,其次是绿藻门,均为优势类群;与北部不同的是,中部和南部区域绿藻门的相对丰对最高,其次是隐藻门,也均为优势类群。在整个调查区域内,褐藻门和定鞭藻门的相对丰度均较低。郭 婷等,基于环境DNA宏条形码的鄱阳湖真核浮游植物多样性研
20、究692023 年 9 月水 生 态 学 杂 志第 44 卷第 5 期2.3 优势OTU的确定及其空间分布在2 135个OTU中,共有6个被确定为优势OTU(表3)。其中,隐藻门2个,绿藻门2个,硅藻门1个,裸藻门1个。中部和南部OTU2的优势度最大(0.05和0.11),属于隐藻门隐藻纲隐藻目,在南部和中部占绝对优势;北部OTU8的优势度最大(0.05),属于硅藻门圆筛藻纲海链藻目。OTU4的优势度为0.08,对应绿藻门共球藻纲溪菜目,但仅在南部出现;OTU48的优势度为0.02,对应裸藻门裸藻纲裸藻目,是北部特有的优势OTU,也是裸藻门唯一的优势OTU。2.4 多样性指数通过计算香农指数(
21、H)、辛普森指数(GS)、Pielou均匀度(J)和Chao 1指数,对鄱阳湖浮游植物的群落进行多样性分析,并绘制多样性指数差异检验箱线图(图4)。在3个分组的样本间,H、GS和J的变化趋势大致相似。H均值为3.18(1.274.01),GS均值为0.87(0.590.96),J均值为0.50,最大值是0.62;中部的H、GS和J均较南部和北部的高,说明中部的浮游植物群落的多样性和均匀度较高。Chao 1指数的平均值为726.31(385.221129.51),其值较大,说明浮游植物硅藻门Bacillariophyta绿藻门Chlorophyta金藻门Chrysophyta隐藻门Cryptop
22、hyta甲藻门Dinophyta裸藻门Euglenophyta定鞭藻门Haptophyta褐藻门Ochrophyta红藻门Rhodophyta黄藻门Xanthophyta总计OTU数/个北部283463961252371357311181378中部18349096115293221652251336南部226505111150272133797181438小计34567913519142729681214282135纲481121123124目15153291313254科2534661822134101属288910616102023166表2 浮游植物群落注释结果Tab.2 Species
23、 composition of the phytoplankton community图2 浮游植物物种分类关系Fig.2 Taxonomic relationships of phytoplankton702023 年第 5 期Chao 1指数Chao 1 index鄱阳湖浮游植物群落丰富度较高。但3组样本的各多样性指数之间没有显著差异性(P0.05)。采样区域Sampling area相对丰度/%Relative abundance0北部中部南部481216硅藻门甲藻门绿藻门裸藻门金藻门定鞭藻门隐藻门褐藻门红藻门黄藻门图3 浮游植物群落门水平序列的相对丰度Fig.3 Relative ab
24、undance of the phytoplanktoncommunity at the phylum level表3 基于环境DNA技术确定的藻类优势OTUTab.3 Dominant species of algae determinedby eDNA technologyOTU IDOTU2OTU13OTU4OTU16OTU8OTU48优势度北部0.04-0.040.050.02中部0.050.03-0.020.03-南部0.110.030.080.020.04-门隐藻门隐藻门绿藻门绿藻门硅藻门裸藻门纲隐藻纲隐藻纲共球藻纲共球藻纲圆筛藻纲裸藻纲目隐藻目隐藻目溪菜目小球藻目海链藻目裸藻目图
25、4 鄱阳湖各区域的多样性指数差异检验Fig.4 Box and whisker plots of the diversity indices采样区域Sampling area采样区域Sampling area采样区域Sampling area采样区域Sampling area2.5 NMDS分析对北部、中部和南部3组样本的群落结构组成进行了 NMDS 分析。Stress 值为 0.0922,表明结果较好;R值大于0,说明各组之间的距离大于组内距离;整体P值小于0.01,说明分组样本间的浮游植物群落结构组成具有极显著性差异(图5)。南部和北部的部分样点距离较近,但大部分样点之间的距离较远,因此南
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 环境 DNA 条形码 鄱阳湖 浮游植物 多样性 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。