海洋生态学

基于形态学和高通量测序的春季南澳海域浮游植物群落特征及其与环境因子关系

  • 周志希 , 1 ,
  • 唐汇娟 , 1 ,
  • 柯志新 2, 3 ,
  • 刘甲星 2 ,
  • 周伟华 2
展开
  • 1.华南农业大学, 广东 广州 510640
  • 2.中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 3.粤东上升流区海洋生态系统综合观测研究站, 广东 汕头 515041
唐汇娟, 副教授。email:

周志希(1999—), 男, 湖北省荆州市人, 硕士研究生, 主要从事海洋浮游植物生态学研究。email:

Copy editor: 孙翠慈

收稿日期: 2024-02-28

  修回日期: 2024-03-25

  网络出版日期: 2024-05-17

基金资助

广东省科技计划项目(2021B1212050023)

广东省基础与应用研究金(2022A1515010656)

广州市重点研发计划(2023B03J1328)

Phytoplankton community structure and its relationship with environmental factors in the spring coastal region of Nan’ao based on morphology and high-throughput sequencing

  • ZHOU Zhixi , 1 ,
  • TANG Huijuan , 1 ,
  • KE Zhixin 2, 3 ,
  • LIU Jiaxing 2 ,
  • ZHOU Weihua 2
Expand
  • 1. South China Agricultural University, Guangzhou 510640, China
  • 2. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 3. Comprehensive Observatory of Marine Ecosystems in the Upwelling Regions of Eastern Guangdong, Shantou 515041, China
TANG Huijuan. email:

Copy editor: SUN Cuici

Received date: 2024-02-28

  Revised date: 2024-03-25

  Online published: 2024-05-17

Supported by

Special Fund for Science and Technology Planning Project of Guangdong Province of China(2021B1212050023)

Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2022A1515010656)

Guangzhou Municipal Key Science and Technology Project(2023B03J1328)

摘要

利用形态学鉴定和高通量测序技术, 对2022年5月南澳海域浮游植物群落结构进行了研究, 探讨其空间分布与环境因子的关系, 并对两种不同方法得出的结果进行了比较和讨论。根据环境因子聚类分析, 调查海域可分为近岸区域和远岸区域。通过形态学方法鉴定浮游植物5门8纲27目39科52属105种, 高通量测序鉴定出6门32纲97目155科272属 543种, 其中硅藻门(Bacillariophyta)和甲藻门(Dinophyta)为优势类群, 分别平均占形态学鉴定结果的74.54%和24.78%以及高通量测序结果的 17.52%和67.84%。形态学鉴定结果显示浮游植物丰度变化范围为0.11×105~6.85×105cells·L-1, 与叶绿素a浓度分布显著相关, 浮游植物多样性指数低于高通量测序方法。两种方法得到优势种均为7种, 其中形态学鉴定结果中绝对优势种为扁面角毛藻(Chaetoceros compressus), 高通量测序鉴定结果中绝对优势种为球形异帽藻(Heterocapsa rotundata)。相关性分析结果表明, 春季影响南澳浮游植物群落结构的主要环境因子是pH、盐度和溶解态无机磷。利用形态学鉴定与高通量测序技术相结合的方法, 可以更全面、更准确地描述浮游植物群落结构及多样性。

本文引用格式

周志希 , 唐汇娟 , 柯志新 , 刘甲星 , 周伟华 . 基于形态学和高通量测序的春季南澳海域浮游植物群落特征及其与环境因子关系[J]. 热带海洋学报, 2025 , 44(1) : 53 -65 . DOI: 10.11978/2024046

Abstract

The structure of phytoplankton community was investigated based on morphological identification and high-throughput sequencing in the Nan’ao waters in May 2022. The spatial distribution of phytoplankton in relation to environmental factors was explored and results from two different methods were also compared and discussed. According to the cluster analysis of environmental factors, the survey area can be divided into nearshore area and offshore area. Totally, 105 species belong to 52 genera, 39 families, 27 orders, 8 orders, 5 phyla were morphological identified, while 543 species in 6 phyla, 32 orders, 97 families, 155 families, 272 genera through high-throughput sequencing were identified. Bacillariophyta and Dinophyta were the main groups, composing 74.54% and 24.78% through microscopic identification, and 17.52% and 67.84% through high-throughput sequencing, respectively. The abundance of phytoplankton identified by morphology ranged from 0.11×105 to 6.85×105 cells·L-1, which was significantly correlated with the distribution of chlorophyll a concentration, and the phytoplankton diversity index was lower than that of the high-throughput sequencing method. 7 dominant species were obtained by both methods, of which the absolutely dominant specie in the morphological identification results was Chaetoceros compressus, and the absolute dominant specie in the high-throughput sequencing identification results was Heterocapsa rotundata. Correlation analysis showed that the main environmental factor affecting phytoplankton community structure in Nan’ao in spring was pH, salinity and DIP (dissolved inorganic phosphorus). Using the combination of morphological identification and high-throughput sequencing technology, the structure and diversity of the phytoplankton community can be described more comprehensively and accurately.

海洋中浮游植物作为初级生产者, 决定着生态系统的生物多样性, 为维持海洋生态系统的物质循环和能量传递提供了重要保障(Irigoien et al, 2004)。浮游植物分布范围广、生活周期短、对环境变化敏感(唐涛 等, 2002), 其群落结构组成和分布格局主要受环境因子调控, 可反映水质的状况变化, 是评价环境健康的重要指示生物之一(谭香 等, 2011)。虽然许多浮游植物的生长对生态系统健康是有益的, 然而其过量生长(如水华和赤潮)已成为世界范围内的一个主要环境问题。Hallegraeff 等(2021)发现, 赤潮事件的数量与水产养殖规模的扩大之间存在显著联系。众多研究显示赤潮的发生频率和分布范围将随着未来气候变化及人类活动影响而增加(Schläpfer et al, 1999; Barton et al, 2016; Gobler, 2020)。开展浮游植物调查工作对了解海域生态系统稳定性, 监测和防控赤潮藻种的暴发具有重要意义(Reynolds et al, 2002; 孙军 等, 2004)。
南澳岛位于广东省东部沿海, 总面积约为114.74km2, 是广东省唯一的海岛县级旅游城市, 也是中国重要的海洋牧场示范区之一, 养殖方式包括网箱养鱼、贝类底播和海藻养殖等(彭璇 等, 2014)。南澳海域位于南海北部, 是中国乃至世界海洋物种多样性最丰富的地区之一(Ma et al, 2008), 它受到韩江、榕江、莲阳河、黄冈河等径流以及台湾暖流、浙闽沿岸流、南海暖流等大洋环流共同影响(苏纪兰 等, 1990), 地理位置特殊, 生态环境比较脆弱(马华栋 等, 2021)。近几十年在人类活动的影响下, 本海域富营养化状态呈现出越来越严重的趋势(朱小山 等, 2005; 蔡德华 等, 2020; 黎素菊 等, 2022), 且出现过严重的赤潮现象, 多发种为球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)(黄长江 等, 1999; 陈炜婷 等, 2023)。赤潮的爆发原因一般是解除了某种营养盐对浮游植物生长的限制作用, 这些营养盐的来源包括河流径流输入、沉积物的释放、上升流及沿岸流和海水养殖等(暨卫东 等, 1990; Lv et al, 2011; Xu et al, 2015)。研究显示, 在南澳周边海域浮游植物生长一般受到磷营养盐的限制(周凯 等, 2002; 陈丹婷 等, 2020; Yu et al, 2022)。
浮游植物群落结构常用于评价生态系统的健康程度。根据以往南澳岛附近海域基于形态学鉴定的调查, 浮游植物物种数量可达322种, 其中硅藻是主要类群(杜虹 等, 2011)。高通量测序技术相比传统方法更加便捷, 并且在低分类单元上有更强的分辨能力, 被广泛认为可以作为形态学检测结果的良好补充(Gilbert et al, 2008; Vandeputte et al, 2017)。鉴于部分浮游植物是微小的单细胞生物, 显微镜观察时难免会忽略 (Field et al, 1998; Esenkulova et al, 2020), 本次研究使用形态学鉴定方法结合高通量测序技术, 对南澳海域浮游植物群落结构及多样性进行分析, 并结合环境因子阐释浮游植物群落时空变化的驱动因素, 可为该海域环境保护和管理提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 调查区域

本研究于2022年5月(春季)在汕头南澳海域进行样品采集, 共设置12个站位(图1), 其中S1站位于柘林湾网箱养鱼集中区, S2、S4站附近分布有密集的牡蛎和大型海藻的养殖, S9站周边是海上风电建设区。
图1 南澳海域地图及调查站位分布

该图基于国家测绘地理信息局标