湖泊鱼类对水体细菌群落结构的影响及相互作用机制的研究

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水体细菌是指一类在水体中营自由或附生生活的原核生物类群,其在水生生态系统的能量流动和地球化学循环中起到重要作用。随着分子生态学的发展,影响水体细菌群落结构组成的因素逐渐被揭晓。通常我们可以将这些因素分为两类,一类我们称之为上行效应因子(营养盐浓度、pH、温度、溶氧、浮游植物等),另一类称之为下行效应因子(原生动物和后生浮游动物的捕食作用等)。鱼类作为水生态系统中高营养级生物,一方面通过扰动排泄等生命活动影响水环境营养盐浓度、溶氧状态等,另一方面又可以通过捕食影响水体环境中浮游动植物的群落结构和丰富度,而水体中这些因子的改变通常伴随着水体细菌群落结构的变化。以前的研究大多关注在上行和下行效应因子对水体细菌群落结构的改变,而关于湖泊中的关键功能群——鱼类对水体细菌群落结构组成的影响及其影响机理研究鲜有报道。本研究以湖泊中上层滤食性鲢鱼和底层杂食性鲤鱼为研究对象,以分子生物学技术变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)和高通量测序(High-Throughput Sequencing)为研究手段探讨水环境中鲢鱼和鲤鱼对水体细菌群落结构的影响,并进一步探讨了水环境细菌对鱼类消化道菌群群落的影响。取得的主要结论如下:  我们于2013年9月3日至2013年11月12日在云南洱海通过长期原位围隔实验研究了鲢鱼和鲤鱼对水体细菌群落结构的影响。结果表明,鲢和鲤对水体细菌群落结构影响显著且不同处理组之间细菌群落结构具有显著的差异(ANOSI,R>0.5,P<0.05),这种差异在鲢鱼和鲤鱼投放后两周内完成。进一步分析发现,虽然不同处理之间优势菌群门类一致,均由变形菌门(Proteobacteria)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)组成,但各门在丰富度上已出现了明显差异。鲢鱼的引进导致水环境中变形菌门和拟杆菌门丰富度的增加,蓝细菌含量的降低;鲤鱼的引进导致水体中蓝细菌和浮霉菌门丰富度的增加,而导致变形菌门丰富度的降低。  为进一步探讨鲢鱼和鲤鱼引进前期水体细菌群落结构变化趋势以及变化机理,我们于2015年10月19日至2015年10月29日在云南洱海利用原位围隔进行了为期11天的短期实验。研究结果显示,在鲢鱼和鲤鱼的引进后的第二天,细菌群落在门水平上已出现显著的差异;细菌群落在属水平上变化存在时间上的差异,大部分优势属在第2天出现显著的增高或降低,少部分在一周左右开始出现变化。对水体中78种优势菌属的变化趋势进行统计分析发现,鲢鱼引进导致28种优势菌属含量升高、14种下降以及46种无影响;鲤鱼引起39种优势菌属含量升高、18种下降以及21种无影响。冗余分析(RDA)显示鲢鱼围隔中桡足类、枝角类、总氮和氨氮在水体细菌群落结构变化过程中起到关键的作用,其可以解释细菌群落变异的37%;在鲤鱼围隔中总氮、总磷、浮游植物、叶绿素a、硝氮、氨氮和枝角类与水体细菌群落结构的变化有显著的相关性,其可以解释细菌群落变化的39%。变差分解(Partitioning ofvariance)分析表明在鲤鱼主要通过改变水体中上行效应因子(如总氮、总磷和浮游植物等)而影响水体细菌群落,而鲢鱼围隔中下行效应因子(总氮、氨氮、桡足了和枝角类等)对细菌群落的改变起主要作用,说明鲢和鲤通过不同的机制影响水体细菌群落结构。  为进一步揭示水体细菌与鱼类之间的关系,我们选择在太湖蓝藻水华期间开展鲢消化道及其生活水体环境的细菌群落检测和分析。研究结果表明鲢鱼肠道菌群群落与水体颗粒附着细菌具有较高的相似性,而与水体游离细菌和底泥菌群相似性较低,说明摄食是影响鲢消化道菌群的重要因素。鲢鱼不同肠段以及肠含物和肠粘膜中的群落特征显著不同(P<0.05)。有些细菌群落结构特征是这种无胃鱼类所特有的,如其群落结构的变化沿着肠道是连续的并且多样性和丰富度呈现出一个连续增加的趋势。尽管微囊藻对于鲢来说或许不是一个良好的食物来源(微囊藻含有许多难分解的多糖和胶被),但是高丰富度的纤维素分解菌群表明鲢鱼具有从微囊藻获取能量的能力。因此,我们推测肠道菌群可以帮助鲢度过水华期间食物匮乏时期。  综上所述,本研究阐明了鲢鱼和鲤鱼对水体细菌群落结构的影响及其影响机理,以及水体细菌与鲢消化道菌群之间的相互关系。我们的研究丰富了对关键功能群——鱼类和水体细菌群落相互关系的认识,同时也对湖泊水产养殖过程中病害的预防和治疗有一定的指导意义。
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