Высокий уровень специализации нишевых специалистов по горячим источникам.

Блог

ДомДом / Блог / Высокий уровень специализации нишевых специалистов по горячим источникам.

May 10, 2023

Высокий уровень специализации нишевых специалистов по горячим источникам.

Журнал ISME (2023 г.) Цитировать

Журнал ISME (2023 г.) Процитировать эту статью

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Экологические и эволюционные процессы одновременно регулируют микробное разнообразие, но эволюционные процессы и их движущие силы остаются в значительной степени неизученными. Здесь мы исследовали экологические и эволюционные характеристики микробиоты горячих источников в широком диапазоне температур (54,8–80 ° C) путем секвенирования генов 16S рРНК. Наши результаты показали, что нишевые специалисты и нишевые специалисты широкого профиля вовлечены в сложное взаимодействие экологической и эволюционной динамики. На оси ниш термотолерантности виды, чувствительные к температуре (Т) (при определенной температуре) и устойчивые к Т (по крайней мере, при пяти температурах), характеризовались разной шириной ниши, численностью сообщества и потенциалом расселения, что, следовательно, различалось потенциальной эволюционной траекторией. Специализированные на нише Т-чувствительные виды испытывали сильные температурные барьеры, что приводило к полной смене видов и высокой приспособленности, но к низкой численности сообществ при каждой температуре («домашняя ниша»), и такие компромиссы, таким образом, усиливали пиковую продуктивность, о чем свидетельствует высокое видообразование. в зависимости от температуры и увеличивая потенциал диверсификации с ростом температуры. Напротив, Т-резистентные виды имеют преимущество в расширении ниши, но имеют плохую местную эффективность, о чем свидетельствует широкая ширина ниши с высоким уровнем вымирания, что указывает на то, что эти нишевые универсалы являются «мастерами на все руки, ни в чем не мастерами». Несмотря на такие различия, Т-чувствительные и Т-резистентные виды эволюционно взаимодействуют. В частности, непрерывный переход от Т-чувствительных к Т-резистентным видам обеспечивал вероятность исключения Т-резистентных видов на относительно постоянном уровне в зависимости от температуры. Совместная эволюция и совместная адаптация Т-чувствительных и Т-резистентных видов соответствовали теории красной королевы. В совокупности наши результаты показывают, что высокое видообразование нишевых специалистов может смягчить негативное воздействие на разнообразие, вызванное фильтрацией окружающей среды.

Температура является ключевым фактором микробного разнообразия в геотермальных экосистемах [1,2,3]. Хотя хорошо известно, что микробное разнообразие коррелирует с температурой [4,5,6], попытки понять механизмы, с помощью которых температура регулирует разнообразие, привели к двум точкам зрения. В первом случае разнообразие является результатом экологических процессов, в основном за счет влияния температуры на круговорот состава современных видов из-за межвидовых различий [7] в термоустойчивости (диапазон температур, в пределах которого вид может расти), но также может быть следствие взаимодействия видов [8]. Во втором случае разнообразие возникает в результате эволюционных процессов, прежде всего как следствие температурного воздействия на темпы видообразования и/или вымирания [9, 10]. Эти экологические и эволюционные процессы обычно происходят одновременно и вносят свой вклад одновременно [11, 12] в одном и том же контексте, но эволюционные процессы в значительной степени не изучены по сравнению с экологическими процессами [13, 14].

Видообразование является основной движущей силой биоразнообразия, и понимание факторов, влияющих на скорость видообразования и его влияние на видовое богатство, является центральной проблемой экологии. Конкретное предсказание о том, как температура окружающей среды должна соотноситься с видовым богатством, было разработано в контексте метаболической теории экологии (МТЕ) для макробов [15, 16] и позже было распространено на микробы [17, 18]. Эти предыдущие исследования в основном фокусировались на температурных градиентах, не превышающих 45 °C. Недавние анализы показали, что метаболическая теория экологии справедлива для мезофилов (оптимальная температура ≤ 45 °C), но не для термофилов (>45 °C), если учитывать температурную зависимость скорости роста и предполагаемую энергию активации E = 0,65 эВ для мезофилов. и E ≈ 0 эВ для термофилов [19]. Одна из причин, по которой термофильный метаболизм может отклоняться от канонической гипотезы МТЕ, заключается в том, что они предполагали, что биомасса постоянна с температурой, но микробная биомасса в горячих источниках также экспоненциально уменьшается с температурой [20]. Для термофилов температура окружающей среды была основным фактором, определяющим скорость эволюции [21, 22], и некоторые исследования показали, что время генерации термофилов обратно пропорционально температуре [23], что предсказывает более высокие скорости видообразования при более высоких температурах. В то же время более высокие температуры исключат виды микробов с плохой адаптацией из-за жесткой фильтрации окружающей среды [5, 6], что в конечном итоге приведет к более высокой скорости вымирания. Однако прямых доказательств температурной зависимости скорости видообразования и вымирания с филогенетической точки зрения еще не было показано.

20, minimum length of 140 bp, and no ambiguous bases. Good quality reads were subjected to generate sub-operational-taxonomic-unit (sOTU, equal to amplicon sequence variant (ASV)) using Deblur [38] (Fig. 1A). The raw PacBio FL sequences were initially subjected to correct sequence errors using the JGI SMRT Portal "reads of insert" protocol with accuracy >99%, corresponding to Q20. Then, quality filtering, chimera detection and clustering were also performed via the Galaxy Pipeline mentioned above (Fig. 1A). Reads ≤1340 bp or ≥1640 bp were removed based on read length analysis [39]./p> Nexpected species), which means species occurring at a specific temperature and those occupying at least five temperatures were not randomly observed, but driven by deterministic factors. Based on this rationale, species found in a specific temperature were classified as T-sensitive species and those found in five to eight temperatures as T-resistant species. Then the T-resistant and T-sensitive as two evolutionary states were subjected to Binary-State Speciation and Extinction (BiSSE) model to calculate their speciation, extinction and transition rate [67]./p> N expected species, which means the species within the indicated temperature group are not randomly selected. In this study, the grouping criteria is 1 and ≥5, which is the rational for why we defined "T-sensitive" species as the species occurring at a specific temperature and "T-tolerant" species at least in five temperatures. The inset plot shows enrichments of species in five to eight temperatures. B The richness of T-sensitive and T-resistant species across temperatures. C, D The relationship of T-sensitive and T-resistant community structure with the whole community structure, respectively. E Variations in community abundance of T-sensitive and T-resistant species across temperatures quantified by ddPCR. F Variations in the within-community nearest-taxon index (NTI) between T-sensitive and T-resistant species. G The phylogenetic tree was constructed with 1555 species with clear taxonomic affiliations. Each species was represented by the most abundant OTU. Colors for both the branch and the innermost ring represent different Phyla, and colors for the outermost ring represent the thermal niche breadth (T-sensitive, T-resistant and others). The rings with inset bargraphs show the relative abundances of each OTU across temperatures. Temperature and species richness at each temperature were marked at the ends of the rings./p> EEP, diversification overwhelms environmental filtering and overall diversity increases with temperature, else if EDP < EEP, environmental filtering is advantageous over diversification and overall diversity decreases with temperature. Our results accorded well with the latter situation that EDP < EEP and RSDP vs EP decreased exponentially with temperature (R2 = 0.70, p < 0.001) (Fig. 5E), indicating that environmental filtering is dominant over diversification at high temperatures./p>