附石生物營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)及機(jī)制

摘要：探討河流附石生物營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量對(duì)干旱的響應(yīng)及機(jī)制，為河流生物膜研究和對(duì)全球氣候變暖大背景下的脆弱水域保護(hù)提供科學(xué)支持。基于脂肪酸和化學(xué)計(jì)量學(xué)2 種食物營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量指示方法，利用中宇宙控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M野外干旱情景，研究了干旱對(duì)附石生物營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量的影響，并從宏觀的附石生物膜藻類群落結(jié)構(gòu)和微觀的宏基因組技術(shù)2 個(gè)層面探索其影響機(jī)制。結(jié)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(yōu)勢(shì)類群，優(yōu)質(zhì)脂肪酸的生產(chǎn)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(jié)果，附石生物脂質(zhì)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(jìn)而影響EPA、DHA的含量。干旱導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)資源營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量下降，進(jìn)而可能對(duì)整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)中消費(fèi)者的生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生影響。研究結(jié)果從基礎(chǔ)資源碳質(zhì)量新視角為水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的碳源及傳遞研究提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：干旱脅迫；附石生物；脂肪酸；營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量；宏基因組

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

河流生態(tài)系統(tǒng)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(guān)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(xù)的水流中斷和潛在的河流干涸現(xiàn)象普遍存在（Acu?a et al，2014；Datry etal，2014），這會(huì)影響河流食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響河流生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性（Colls et al，2019）。

高質(zhì)量的飲食對(duì)于消費(fèi)者的體細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖及其在食物網(wǎng)中的生態(tài)相互作用至關(guān)重要（Messag?er et al，2021）。在水生食物網(wǎng)中，藻類為消費(fèi)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(rèn)為是消費(fèi)者的優(yōu)質(zhì)資源。生長(zhǎng)在水下基質(zhì)上的生物膜主要由藻類組成，易在樹葉、木質(zhì)碎片和巖石的表面形成（Carles et al，2022；譚香等，2018），是河流食物網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，提供了重要的初級(jí)生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)比陸地葉片能更好地支持河流食物網(wǎng)（Messager et al，2021）。長(zhǎng)鏈PUFA 是水生消費(fèi)者飲食質(zhì)量的一個(gè)日益重要的指標(biāo)，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(wú)脊椎動(dòng)物發(fā)育、繁殖和激素調(diào)節(jié)所必需的（Zhang et al，2024）。EPA 和DHA 含量高的硅藻被認(rèn)為是消費(fèi)者的優(yōu)質(zhì)飲食，而藍(lán)綠藻通常是低質(zhì)量飲食，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈@些特定的PUFA（Zhang et al，2022）。微生物和藻類能夠在生長(zhǎng)過程中吸收碳（C）、氮（N）、磷（P）等元素轉(zhuǎn)化為生物量（Yvon?Durocher et al，2015），然而在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，N、P 通常是限制性養(yǎng)分，其可用性影響藻類的生長(zhǎng)（Sanli et al，2015；Inomura et al，2022），為評(píng)估淡水生態(tài)系統(tǒng)的食物質(zhì)量提供了新視角（Williamson etal，2021）。

生物膜具有高度復(fù)雜性和可變性的特征，附石生物對(duì)維持水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要（Lampre?cht et al，2022），了解附石微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化是深入理解其對(duì)應(yīng)激環(huán)境響應(yīng)機(jī)制的關(guān)鍵。宏基因組技術(shù)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(yīng)用，但對(duì)河流附石生物膜的研究較少。因此，本研究通過室內(nèi)中宇宙實(shí)驗(yàn)?zāi)M自然水體流動(dòng)，結(jié)合脂肪酸含量和組成、藻類結(jié)構(gòu)、生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)、宏基因組等多項(xiàng)指標(biāo)和方法，深入理解河流附石生物營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量對(duì)干旱的響應(yīng)及機(jī)制，進(jìn)而為河流生物膜研究和對(duì)脆弱水域的保護(hù)提供科學(xué)支持。