附石生物營養質量對干旱脅迫的響應及機制

摘要：探討河流附石生物營養質量對干旱的響應及機制，為河流生物膜研究和對全球氣候變暖大背景下的脆弱水域保護提供科學支持。基于脂肪酸和化學計量學2 種食物營養質量指示方法，利用中宇宙控制實驗模擬野外干旱情景，研究了干旱對附石生物營養質量的影響，并從宏觀的附石生物膜藻類群落結構和微觀的宏基因組技術2 個層面探索其影響機制。結果表明，干旱后多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）中的二十二碳六烯酸（docosahexaenoicacid，DHA）和二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）等含量減少；附石生物中磷（P）含量顯著減少（Plt;0.05），C/P、N/P增加。硅藻是附石生物膜中的優勢類群，優質脂肪酸的生產者，富含EPA、DHA，干旱后硅藻密度和豐度顯著減少（Plt;0.05）。基于宏基因組分析結果，附石生物脂質代謝通路中脂肪酸生物合成顯著減少（Plt;0.05），脂肪酸降解顯著增加（Plt;0.05），進而影響EPA、DHA的含量。干旱導致河流生態系統基礎資源營養質量下降，進而可能對整個河流生態系統中消費者的生長和繁殖產生影響。研究結果從基礎資源碳質量新視角為水生態系統食物網的碳源及傳遞研究提供了重要依據。

關鍵詞：干旱脅迫；附石生物；脂肪酸；營養質量；宏基因組

中圖分類號：X171.1；Q178.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-3075（2024）03-0021-11

河流生態系統為多種生物提供了寶貴的棲息地，在全球生物多樣性中扮演著關鍵角色（Butman etal，2016）。然而，由于氣候干旱，特別是在間歇性河流（intermittent rivers）中，持續的水流中斷和潛在的河流干涸現象普遍存在（Acu?a et al，2014；Datry etal，2014），這會影響河流食物網的結構，進而影響河流生態系統的多樣性和穩定性（Colls et al，2019）。

高質量的飲食對于消費者的體細胞生長、繁殖及其在食物網中的生態相互作用至關重要（Messag?er et al，2021）。在水生食物網中，藻類為消費者提供氨基酸和多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty ac?ids，PUFA）等必需化合物，被認為是消費者的優質資源。生長在水下基質上的生物膜主要由藻類組成，易在樹葉、木質碎片和巖石的表面形成（Carles et al，2022；譚香等，2018），是河流食物網的關鍵組成部分，提供了重要的初級生產力（Boulton et al，2017）。特別是，由于PUFA 含量高，附石生物（epilithon 或pe?riphyton on rocks）被發現比陸地葉片能更好地支持河流食物網（Messager et al，2021）。長鏈PUFA 是水生消費者飲食質量的一個日益重要的指標，其中二十碳五烯酸（EPA，20： 5 ω3）和二十二碳六烯酸（DHA，22：6 ω3）是無脊椎動物發育、繁殖和激素調節所必需的（Zhang et al，2024）。EPA 和DHA 含量高的硅藻被認為是消費者的優質飲食，而藍綠藻通常是低質量飲食，因為它們缺乏這些特定的PUFA（Zhang et al，2022）。微生物和藻類能夠在生長過程中吸收碳（C）、氮（N）、磷（P）等元素轉化為生物量（Yvon?Durocher et al，2015），然而在淡水生態系統中，N、P 通常是限制性養分，其可用性影響藻類的生長（Sanli et al，2015；Inomura et al，2022），為評估淡水生態系統的食物質量提供了新視角（Williamson etal，2021）。

生物膜具有高度復雜性和可變性的特征，附石生物對維持水生態系統的穩定性至關重要（Lampre?cht et al，2022），了解附石微生物群落結構和功能變化是深入理解其對應激環境響應機制的關鍵。宏基因組技術在浮游生物（羅帥等，2022）和沉積物（曲穎等，2023）研究中得到廣泛應用，但對河流附石生物膜的研究較少。因此，本研究通過室內中宇宙實驗模擬自然水體流動，結合脂肪酸含量和組成、藻類結構、生態化學計量學、宏基因組等多項指標和方法，深入理解河流附石生物營養質量對干旱的響應及機制，進而為河流生物膜研究和對脆弱水域的保護提供科學支持。