烏江流域某水庫浮游藻類群落結構及多樣性分析

岳一鴻, 傅志偉, 陳學萍, 楊 明, 王寶利, 汪福順

(1.上海大學環(huán)境與化學工程學院, 上海 200444;2.天津大學表層地球系統(tǒng)科學研究院, 天津 300072)

烏江(東經105°09′ ～109°26′, 北緯25°56′ ～30°01′)位于中國云貴高原東部和四川盆地南緣, 流經貴州省北部和重慶市東南部, 在涪陵注入長江, 是貴州省境內最大的河流, 也是長江上游南岸最大的支流.烏江流域作為我國水能資源的“富礦區(qū)”, 因其徑流量和天然落差都相對較大, 其梯級開發(fā)是國家優(yōu)先考慮的流域開發(fā)系統(tǒng)工程之一[1-2].目前, 在烏江流域建成并投入使用的水庫主要有紅楓湖水庫(1960 年)、百花湖水庫(1966 年)、修文水庫(1967 年)、窄巷口水庫(1970 年)、紅巖水庫(1974 年)、烏江渡水庫(1979 年)、東風水庫(1994 年)、普定水庫(1994年)、索風營水庫(2003 年)、引子渡水庫(2003 年)、洪家渡水庫(2003 年)等[3-4].這些梯級水庫群已成為我國梯級水庫系統(tǒng)的典型代表.

梯級水庫在為人類提供大量水電能源的同時, 不可避免地改變了流域原有的生態(tài)環(huán)境.在梯級開發(fā)形成水庫的過程中, 由于庫區(qū)水位的上升、水流速度的減緩、水體透光性的改變以及自凈能力的減弱、營養(yǎng)鹽的積累、水庫的泄洪等因素的改變, 導致水體中原有藻類的種類、數(shù)量和分布發(fā)生顯著性變化[5].浮游藻類是水生生態(tài)系統(tǒng)中主要的初級生產者[6], 包括藍藻、綠藻、硅藻、金藻、甲藻、黃藻、裸藻和隱藻共8 個門[7].浮游藻類的種類組成、群落結構和豐度變化, 可直接影響水體水質、系統(tǒng)內能量流、物質流和生物資源變動[8-10].因而, 浮游藻類的研究對于水域生態(tài)系統(tǒng)的認識具有重要的作用, 被認為是所屬水域自然環(huán)境及生態(tài)環(huán)境變化的晴雨表.

近年來, 隨著分子生物學技術的發(fā)展, 憑借著成本低、通量高、流程自動化等優(yōu)勢, 高通量測序技術為開展浮游藻類群落結構多樣性研究提供了新的技術平臺[11-14].目前, 分子標記被用于擴增編碼核糖體保守基因的可變區(qū), 進而基于高通量測序技術的DNA 宏條形碼研究, 使得對環(huán)境樣品中生物多樣性及復雜群落結構的評估成為可能.本研究利用兩對分子標記A23SrV2F/A23SrV2R 和p23SrVF/p23SrVR, 對烏江流域某水庫不同深度采樣點的水樣擴增浮游藻類基因的保守區(qū)段, 利用高通量測序技術注釋得到的23 rRNA 基因片段可操作分類單元(operational taxonomic units, OTUs)結果, 比較所獲得的浮游藻類的覆蓋度來選擇相對高效的分子標記, 為進一步開展烏江流域不同梯級水庫中浮游藻類的種群多樣性研究提供參考和借鑒.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

采樣時間是2017 年1 月.首先, 利用分層采水器在烏江流域某水庫水下0, 10 和45 m 深度采集水樣; 然后, 使用直徑47 mm、孔徑0.22 μm 的無菌醋酸纖維濾膜(Whatman, 德國)在砂芯過濾裝置上正壓過濾500 mL 水樣; 最后, 將過濾后的濾膜—20°C 保存, 隨后放置在實驗室—80°C 冰箱凍存.

1.2 DNA 抽提及聚合酶鏈反應(polymerase chain reaction, PCR)擴增

使用Fast DNA SPIN Kit for Soil 試劑盒(MP, 美國)抽提水樣中的基因組DNA.以基因組DNA 為模板, TransStart Fastpfu DNA Polymerase 為擴增酶, 利用PCR 儀(ABI GeneAmp?9700 型)進行PCR 擴增,對待測序區(qū)域進行富集,其中A23SrV1F/A23SrV1R(一輪)/A23SrV2F/A23SrV2R(二輪)PCR 反應的條件為: 95°C 變性3 min, 95°C 30 s, 55°C 30 s, 72°C 45 s, 共30 個循環(huán); 最后72°C 延伸10 min[15].p23SrVF/p23SrVR PCR 反應的條件為: 95°C 變性3 min, 95°C 30 s, 55°C 30 s, 72°C 45 s, 共35 個循環(huán); 最后72°C 延伸10 min[16].表1 為實驗所用的測序引物.

表1 實驗所用的測序引物Table 1 Sequencing primers used for test

配制質量分數(shù)為2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 產物, 并對PCR 產物進行膠回收純化;純化后用QuantiFluorTM-ST藍色熒光定量系統(tǒng)(Promega, 美國)進行定量檢測, 并按照每個樣品的測序量要求構建高通量測序文庫.使用Illumina HiSeq 2500 平臺對文庫進行測序.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

在數(shù)據(jù)質控處理中, 過濾出尾部質量值小于20 的堿基; 根據(jù)雙端(paired-end, PE)讀長(reads) 之間的重疊(overlap) 關系, 將成對reads 拼接成一條序列, 最小overlap 長度為10 bp, 并篩選掉拼接序列的overlap 區(qū)錯配比率大于0.2 的序列; 根據(jù)序列首尾兩端的條形碼(barcode)將嵌合體序列去除, 并調整序列方向, 然后按照閾(cut off)值將相似性高于97% 的高質量序列進行操作分類單元(operational taxonomic units, OTU)的劃分.將所測得的基因序列通過Blast (http://www.ncbi.nlm.nib.gov/blast/blast.cg) 在Genbank 中進行相似序列搜索比對.

2 結果與分析

2.1 PCR 擴增產物

不同樣品的PCR 擴增結果如圖1 所示.可以看出, 所擴增的目的片段條帶單一, 片段大小約為410 bp.每個樣品重復3 次, 不同樣品的電泳條帶亮度較為一致.

圖1 不同水深樣品中兩對引物擴增的PCR 產物電泳圖Fig.1 Agarose gel electrophoresis of the PCR products amplified from the samples at different water depth

2.2 測序深度與飽和度

對測序原始序列剔除原核但保留藍細菌門后, 引物A23SrV2F/A23SrV2R 共獲得高質量序列99 070 條, 其中深度0 m 樣品的序列數(shù)為35 791 條, 深度10 m 樣品的序列數(shù)為28 881條, 深度45 m 樣品的序列數(shù)為34 398 條.同樣, 引物p23SrVF/p23SrVR 共獲得高質量序列103 420 條, 其中深度0 m樣品的序列數(shù)為28 954 條, 深度10 m 樣品的序列數(shù)為32 662 條, 深度45 m 樣品的序列數(shù)為41 804 條.

對測序序列進行隨機抽樣, 以抽到的序列數(shù)與其代表的OTU 數(shù)目構建稀釋性曲線, 結果如圖2 所示.可以看出, 每個樣品的稀釋性曲線趨于平坦, 表明測序量合理, 測序深度已達到反應樣品中所有OTU 數(shù)量的標準, 測序結果在深度2 000 reads 時能夠真實反映樣品中藻類的數(shù)量關系.引物A23SrV2F/A23SrV2R 深度0 m 樣品序列注釋為101 種浮游藻類的OTU,深度10 m 樣品序列注釋為84 種浮游藻類的OTU, 深度45 m 樣品序列注釋為98 種浮游藻類的OTU(見圖2(a)).而引物p23SrVF/p23SrVR 深度0 m樣品序列注釋為172 種浮游藻類的OTU, 深度10 m 樣品序列注釋為140 種浮游藻類的OTU, 深度45 m 樣品序列注釋為236 種浮游藻類的OTU(見圖2(b)).

圖2 不同樣品在97%相似性水平下的稀釋曲線Fig.2 Rarefaction curves of different samples at the 97% similarity level

2.3 多樣性指數(shù)分析

對兩對引物的3 個采樣點分析選取生態(tài)學中的評估指數(shù), 具體如表2 所示.Coverage 是測序深度指數(shù), 表示各樣品文庫的覆蓋率, 其數(shù)值越高, 則樣本中序列沒有被測出的概率越低.本次的采樣點Coverage 均在0.999 以上, 說明本次測序結果可以代表樣本的真實情況.在對3 個采樣點進行豐富度分析中, 采用ACE 指數(shù)和Chao 指數(shù), 二者是估算樣品中浮游藻類豐度的指數(shù), 主要用來估計群落中含有的OTU 數(shù)目.在A23SrV2F/A23SrV2R 中, 3 個采樣點的ACE 指數(shù)是86～108, Chao 指數(shù)是85～106, 其中10 m 采樣點種類數(shù)最少, 為85種, 0 m采樣點種類數(shù)最多, 為108 種; 在p23SrVF/p23SrVR 中, 3 個采樣點的ACE 指數(shù)是153～236, Chao 指數(shù)是157～237, 其中10 m 采樣點種類數(shù)最少, 為153 種, 45 m 采樣點種類數(shù)最多, 為237 種.在對3 個采樣點進行多樣性指數(shù)分析中, 采用Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù), 二者是常用的反映α 多樣性的指數(shù), 用于估算樣品中浮游藻類多樣性的指數(shù), Simpson 指數(shù)值越大, 說明群落多樣性越低; Shannon 值越大, 說明各種個體分配越均勻, 群落多樣性越高.在A23SrV2F/A23SrV2R 中, 3個采樣點的Simpson 指數(shù)是0.082～0.111, Shannon 指數(shù)是2.73～2.97, 表明3 個采樣點樣品間OTUs 數(shù)目的分布差異不大; 在p23SrVF/p23SrVR 中, 3個采樣點的Simpson 指數(shù)是0.05～0.116, Shannon 指數(shù)是2.82～3.62, 表明3 個采樣點樣品間OTUs 數(shù)目的分布差異較大.

表2 兩對引物擴增產物不同采樣點的多樣性指數(shù)比較Table 2 Comparisons of diversity indices in different samples between two pairs of primers

2.4 浮游藻類群落組成分析

對得到的OTUs 序列進行物種注釋, 兩對引物分別擴增的3 個不同深度采樣點均涵蓋5 門11 屬, 如圖3 所示.在A23SrV2F/A23SrV2R 引物擴增的0, 10 和45 m樣品中, 綠藻門(Chlorophyta)占總種類數(shù)的比例分別為22.7%, 25.1%和30.8%, 藍藻門(Cyanobacteria)占總種類數(shù)的比例分別為17.2%, 42.2%和7.77%, 硅藻門(Bacillariophyta)占總種類數(shù)的比例分別為18.3%, 7.30% 和1.06%, 不等鞭藻門(Heterokonta)占總種類數(shù)的比例分別為1.40%,0.42%和0.81% (見圖3(a)).在p23SrVF/p23SrVR 引物擴增的0, 10 和45 m 樣品中, 綠藻門(Chlorophyta)占總種類數(shù)的比例分別為16.7%, 16.6%和36.7%, 藍藻門(Cyanobacteria)占總種類數(shù)的比例分別為23.1%, 51.7%和3.68%, 硅藻門(Bacillariophyta)占總種類數(shù)的比例分別為15.1%, 6.34% 和1.63%, 不等鞭藻門(Heterokonta)占總種類數(shù)的比例分別為0.95%,0.47% 和2.99% (見圖3(b)).

圖3 各采樣點浮游藻類門類和屬類組成百分比Fig.3 Percentage of different phyla and genera of phytoplankton in different samples identified by two degenerate primes

在高通量測序結果中, 兩個引物在群落組成上存在相同點, A23SrV2F/A23SrV2R 和p23SrVF/p23SrVR 引物擴增的樣品(見表3)中, 10 m 均以藍藻為優(yōu)勢類群, 45 m 均以綠藻門為優(yōu)勢類群, 而0 m 采樣點主要以綠藻門、藍藻門和硅藻門為主, 沒有明顯的優(yōu)勢類群.同時, 兩個引物在3 個采樣點占優(yōu)勢類群的核心OTU 略有不同, A23SrV2F/A23SrV2R引物和p23SrVF/p23SrVR 引物擴增(見表4)中, 0 和45 m 的核心OTU 是擬多甲藻屬(Peridiniopsis)(見圖3(c)), 而10 m 的核心OTU 是聚球藻屬(Synechococcus)(見圖3(d)).

表3 各采樣點浮游藻類門類組成百分比Table 3 Percentage of different phyla of phytoplankton in different samples identified by two degenerate primes %

表4 各采樣點浮游藻類屬類組成百分比Table 4 Percentage of different genera of phytoplankton in different samples identified by two degenerate primes %

2.5 樣品OTU 分布Venn 圖分析

為了較為直觀地比較3 個不同水深采樣點之間OTU 組成的相似程度, 在97% 相似度水平上以OTU 為單位做成維恩(Venn)圖, 結果如圖4 所示.在A23SrV2F/A23SrV2R 引物擴增的0,10 和45 m 樣品(見圖4(a))中,獨有的OTU 分別為7,1 和5 個,3 個采樣點共有的OTU為23 個, 占全部的40.35%; 而在p23SrVF/p23SrVR 引物擴增的0, 10 和45 m 樣品中(見圖4(b)), 獨有的OTU 分別為6, 3 和28 個, 3 個采樣點共有的OTU 為34 個, 占全部的36.56%.

圖4 各采樣點浮游藻類OTU 分布的Venn 圖Fig.4 Venn diagrams of OUT distribution in different samples identified by two degenerate primes

3 討 論

烏江作為長江上游南岸最大的支流, 其流域是典型的喀斯特地貌.隨著烏江梯級水庫的開發(fā)和建立, 烏江流域整個庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境都產生了重大影響.近些年, 國內對烏江梯級開發(fā)后浮游植物豐度和群落結構的變化都開展了采樣研究.王崇等[17]在2007 年7 月和10 月對烏江流域的浮游植物種類組成、數(shù)量變化特征及與水環(huán)境因子的相關性進行調查, 共鑒定出浮游植物計7 門75 屬156 種, 包括硅藻門、綠藻門、藍藻門、裸藻門、甲藻門、隱藻門和金藻門, 其中硅藻門為優(yōu)勢物種, 占檢出種類的43.6%; 綠藻門和藍藻門次之, 分別占檢出種類的35.3%和14.1%.任啟飛等[18]在2008 年8 月到2009 年9 月對紅楓湖水庫浮游植物進行14 個月的定點逐月調查, 共檢測到浮游植物72 屬, 分屬8 門, 其中綠藻門為優(yōu)勢物種, 占總種類的54.2%,藍藻門和硅藻門分別占總種類數(shù)的19.9% 和15.9%, 同時也觀察到了金藻門、甲藻門、隱藻門、裸藻門和黃藻門.王叁等[19]于2008 年8 月至2009 年7 月對百花湖水庫的浮游植物進行采樣調查, 鏡檢結果共檢測到浮游植物7 門81 屬, 主要以綠藻門、藍藻門和硅藻門為主, 分別占41% 、25%和22%.本研究通過高通量測序技術, 共鑒定出浮游藻類5 門11 屬, 兩對引物擴增的3 個采樣點(0, 10 和45 m)的浮游植物主要由藍藻門、綠藻門和硅藻門組成.這與之前對烏江流域浮游植物的研究結果相符.兩對不同引物擴增的10 和45 m 樣品中, 優(yōu)勢群落均為藍藻和綠藻, 但兩對引物擴增的0 m 樣品中, 綠藻、硅藻和藍藻三者差別不大.浮游藻類的生長繁殖與自身的生物特性及CO2、光照、溫度和營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子相關, 這可能是引起不同采樣點優(yōu)勢藻類出現(xiàn)差異的原因.

浮游藻類多樣性的研究方法有多種, 在對烏江流域浮游藻類的群落分布進行研究時, 多以傳統(tǒng)鏡檢為主, 即借助顯微鏡觀察藻類細胞的形態(tài)以確定種類.鏡檢方法工作量大, 主觀性強,并對儀器的分辨率要求很高.武秀國等[20]2013 年4～9 月對3 種養(yǎng)殖類型池塘的藻類群落結構進行了鏡檢分析, 共鏡檢出藻類7 門58 種.施擇等[21]于2012 年5 月和12 月對滇池浮游藻類群落構成進行了調查, 共鏡檢出浮游藻類8 門66 屬159 種.本研究中鑒定出的浮游藻類中,不等鞭藻門是烏江流域采樣點從未檢出過的, 表明相對于傳統(tǒng)鏡檢的方法, 高通量測序技術可監(jiān)測到顯微鏡鏡檢方法檢測不到的生物物種, 可彌補光學顯微鏡觀察結果的不足.

4 結束語

從20 世紀80 年代以來, 烏江流域在梯級水庫蓄水后生態(tài)環(huán)境發(fā)生了改變, 水體自凈能力的降低曾導致水華現(xiàn)象頻發(fā).針對水體浮游藻類鑒定方法中存在的難題, 本研究利用已報道的兩對藻類簡并引物, 借助高通量測序平臺對3 個不同水深水層中浮游藻類的多樣性開展研究,為烏江流域不同梯級水庫中浮游藻類多樣性的研究提供了一種高效的檢測方法.