南海典型环境浮游原生生物分子生态学研究

Protists play pivotal roles in biogeochemical cycles of elements and energy transfer, serving as tropical links in the marine ecosystem. Compared with prokaryotes, studies on the molecular diversity of protists have lagged behind: previous work focused more on the discovery of new protistan groups from various environments and those targeting the temporal and spatial distribution pattern and the environmental driving mechanisms just started in the last few years; most work targeted protists in the euphotic zone, leaving protists in the deep sea largely unknown; environmental DNA-based sequencing was normally used in most previous studies which is hard to reveal the active and functional protistan assemblages in situ. The pioneering studies on the protistan molecular diversity in China were relatively scarce and inadequate, i.e. either based on one-time, small scale sampling, or samples collected from the coastal/euphotic zone only, which is especially true for the South China Sea. In the proposed study, planktonic protistan assemblages will be collected from representative environments (estuarine, continental shelf, continental slope, deep-sea basin, and upwelling system) of the South China Sea. High throughput sequencing on protistan 18S rRNA based on both environmental DNA and RNA extracts will be applied to study the diversity, community composition, and spatial and temporal distribution pattern of protists. Environmental parameters will also be monitored to elucidate the driving mechanism of environmental parameters on the shifting of protistan communities. The proposed study will help to establish the framework of protistan diversity composition, temporal and spatial distribution pattern, and the driving mechanism in the South China Sea. The proposed research will also lay a foundation to further infer the biogeochemical functions of protists in the marine ecosystems.

原生生物多样性高、结构功能复杂，在海洋生态系统物质循环与能量流动中发挥重要作用。相较原核生物，原生生物分子生态学研究相对滞后：早期工作多聚焦于新类群的发现，对群落结构、时空演变研究相对缺乏；多集中于真光层以上区域，对深海生境研究严重不足；多基于DNA水平测序，难以真实反映环境中发挥生态学功能的活跃类群。我国已有工作多基于小尺度、零星站位、近岸/真光层的研究，系统性工作极为匮乏，导致海区内原生生物分布模式与时空演替规律仍不明了，此现象在南海尤为突出。本研究拟从上述空白入手，聚焦南海典型环境（河口、陆架、陆坡、海盆、上升流），在RNA与DNA水平，利用高通量测序技术对原生生物多样性、分布模式与时空演替规律展开系统研究。通过环境因子整合分析，全面解析环境对原生生物群落演变的驱动机制。本研究将系统构建南海原生生物分布模式与时空演替框架，为生态学功能的解析提供数据支撑，并为相关领域研究提供重要参考。

原生生物具有极高的形态与功能多样性，在海洋生态系统物质循环与能量流动中发挥了重要作用。由于基于传统形态特征进行种类鉴别需要花费大量人力、物力且需极高的形态分类知识，因此，对这一大类群进行整体研究，在海洋生态学工作中非常匮乏。近年来，基于标记基因测序的研究方法已逐步开展，但目前对原生生物分子生态学研究相对滞后，此现象在南海尤为突出。本项目重点解析了南海典型环境（河口、陆架、陆坡、海盆区及表层、次表层、叶绿素最大层、弱光层、深海海区等）中原生生物分子多样性、群落结构及其环境驱动机制，取得了较为丰富的研究成果。首次基于RNA水平测序，研究了从珠江口—南海海盆水平及垂直尺度上活跃的原生生物多样性及群落结构的变化，发现原生生物群落呈现明显的河口—外海、表层—深海的演变趋势，盐度、水深和温度是控制原生生物分布的主要因素。对珠江口纤毛虫群落的研究发现，影响纤毛虫分布的主要环境因素是水团（即温度与盐度），而厦门湾内纤毛虫群落短时间控制因素为食物（即细菌与病毒）。利用DNA与RNA水平共测序，研究了春季与夏季海盆区原生生物分布模式，发现真光层原生生物呈现季节变化，而真光层以深水体无明显季节变化；中上层水体中原生生物群落主要受漂变影响，而深层水体受扩散影响更为显著；基于DNA的网络具有较少的节点和更多的边，而RNA网络其模块内部的凝聚性、连通度及类群多样性都更高；夏季的原生生物共现网络比春季更为复杂、稳定。本项目对南海典型环境中原生生物分子多样性及其环境驱动因素开展了较为系统的“摸底”工作，填补了以南海为代表的边缘海原生生物分子多样性研究的不足，为今后进一步揭示热带、亚热带边缘海原生生物生态学功能提供了重要基础参数。同时，本项目发现了一些潜在突破点，值得深入挖掘，为下一个基金项目提供了良好的研究思路与样品及数据积累。