全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 1 期摇 摇 2013 年 1 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
生态整合与文明发展 王如松 ( 1 )…………………………………………………………………………………
干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展 高光耀,傅伯杰,吕一河,等 ( 12 )……………………
城市林木树冠覆盖研究进展 贾宝全,王摇 成,邱尔发,等 ( 23 )…………………………………………………
环境质量评价中的生物指示与生物监测 Bernd Markert,王美娥,Simone W俟nschmann,等 ( 33 )………………
水溶性有机物电子转移能力及其生态效应 毕摇 冉,周顺桂,袁摇 田,等 ( 45 )…………………………………
个体与基础生态
凋落物和增温联合作用对峨眉冷杉幼苗抗氧化特征的影响 杨摇 阳,杨摇 燕,王根绪,等 ( 53 )………………
不同浓度 5鄄氨基乙酰丙酸(ALA)浸种对 NaCl胁迫下番茄种子发芽率及芽苗生长的影响
赵艳艳,胡晓辉,邹志荣,等 ( 62 )
……………………
………………………………………………………………………………
缺镁胁迫对纽荷尔脐橙叶绿素荧光特性的影响 凌丽俐,彭良志,王男麒,等 ( 71 )……………………………
松嫩草地 66 种草本植物叶片性状特征 宋彦涛,周道玮,王摇 平,等 ( 79 )………………………………………
花蜜中酚类物质对群落中同花期植物传粉的影响 赵广印,李建军,高摇 洁 ( 89 )………………………………
桉树枝瘿姬小蜂连续世代种群生命表 朱方丽,邱宝利,任顺祥 ( 97 )……………………………………………
种群、群落和生态系统
蒙古栎地理分布的主导气候因子及其阈值 殷晓洁,周广胜,隋兴华,等 (103)…………………………………
河静黑叶猴果实性食物组成、选择及其对种子的扩散作用 阮海河,白摇 冰,李摇 宁,等 (110)…………………
2010 秋季东海今生颗石藻的空间分布 靳少非,孙摇 军,刘志亮 (120)…………………………………………
OPRK1 基因 SNP 与梅花鹿昼间行为性状的相关性 吕慎金,杨摇 燕,魏万红 (132)……………………………
鄱阳湖流域非繁殖期鸟类多样性 邵明勤,曾宾宾,徐贤柱,等 (140)……………………………………………
人工巢箱条件下两种山雀鸟类的同域共存机制 李摇 乐,张摇 雷,殷江霞,等 (150)……………………………
桉鄄桤不同混合比例凋落物分解过程中土壤动物群落动态 李艳红,杨万勤,罗承德,等 (159)…………………
三峡库区生态系统服务功能重要性评价 李月臣,刘春霞,闵摇 婕,等 (168)……………………………………
景观、区域和全球生态
黄土高原小流域不同地形下土壤有机碳分布特征 李林海,郜二虎,梦摇 梦,等 (179)…………………………
海岸带地理特征对沉水植被丰度的影响 吴明丽,李叙勇,陈年来 (188)…………………………………………
玛纳斯河流域扇缘带不同植被类型下土壤物理性质 曹国栋,陈接华,夏摇 军,等 (195)………………………
资源与产业生态
农田开垦对三江平原湿地土壤种子库影响及湿地恢复潜力 王国栋,Beth A Middleton,吕宪国,等 (205)……
漫溢干扰过程中微地形对幼苗定居的影响 安红燕,徐海量,叶摇 茂,等 (214)…………………………………
黑龙港流域夏玉米产量提升限制因素 徐丽娜,陶洪斌,黄收兵,等 (222)………………………………………
黑龙江省药用植物根际土壤真菌多样性 慕东艳,吕国忠,孙晓东,等 (229)……………………………………
桑沟湾养殖生态系统健康综合评价 傅明珠,蒲新明,王宗灵,等 (238)…………………………………………
城乡与社会生态
基于“OOAO原则冶的罗源湾生态质量状况综合评价 吴海燕,吴耀建,陈克亮,等 (249)………………………
四十里湾营养状况与浮游植物生态特征 李摇 斌,白艳艳,邢红艳,等 (260)……………………………………
生态足迹深度和广度:构建三维模型的新指标 方摇 恺 (267)……………………………………………………
中国东西部中小城市景观格局及其驱动力 齐摇 杨,邬建国,李建龙,等 (275)…………………………………
研究简报
南海陆坡沉积物细菌丰度预测 李摇 涛,王摇 鹏 (286)……………………………………………………………
浑善达克沙地榆树疏林幼苗更新空间格局 刘摇 振,董摇 智,李红丽,等 (294)…………………………………
光和不同打破种子休眠方法对紫茎泽兰种子萌发及幼苗状态的影响 姜摇 勇,李艳红,王文杰,等 (302)……
学术争鸣
关于植物群丛划分的探讨 邢韶华,于梦凡,杨立娟,等 (310)……………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄01
封面图说: 外来入侵物种紫茎泽兰———紫茎泽兰约于 20 世纪 40 年代由缅甸传入中国云南南部后迅速蔓延,现已在云南、贵
州、四川、广西、重庆、湖北、西藏等省区广泛分布和危害,并仍以每年大约 30 km的速度扩散。 紫茎泽兰为多年生草
本或亚灌木,号称“植物界杀手冶。 其对环境的适应性极强,疯长蔓延,能极大耗损土壤肥力。 它的植株能释放多种
化感物质,排挤其他植物生长而形成单优种群,它破坏生物多样性,威胁到农作物、畜牧草甚至林木,且花粉能引起
人类过敏性疾病等,目前尚无有效治理对策。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 1 期
2013 年 1 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 1
Jan. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2007CB815904); 国家自然科学基金项目(40510487, 41276125)
收稿日期:2011鄄10鄄08; 摇 摇 修订日期:2012鄄11鄄18
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: pengwang@ tongji. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201110081467
李涛,王鹏.南海陆坡沉积物细菌丰度预测.生态学报,2013,33(1):0286鄄0293.
Li T, Wang P. Prediction of bacterial species richness in the South China Sea slope sediments. Acta Ecologica Sinica,2013,33(1):0286鄄0293.
南海陆坡沉积物细菌丰度预测
李摇 涛1,2,王摇 鹏1,*
(1. 同济大学海洋地质国家重点实验室,上海摇 200092; 2. 广州海洋地质调查局,广州摇 510760)
摘要:分别利用参数模型和无参数估计法预测南海陆坡沉积物柱 MD05鄄 2896 中的细菌丰度。 基于非培养的 PCR鄄RFLP 的 16S
rRNA基因分子技术,扩增了沉积物柱中的细菌 16S rRNA基因序列,并构建 16S rRNA基因文库。 系统发育分析表明 16S rRNA
基因文库中,大多数序列属于 17 个已知的“门冶。 分别以 99% 、97% 、90%和 80%序列一致性作为分类单元分界点,将 16S
rRNA基因序列组群为分类单元。 使用逆高斯分布模型、对数正态分布模型、负二项式分布模型、帕雷托分布模型、双指数分布
模型以及 ACE、ACE-1 等估计方法预测不同分类单元分类水平下的细菌丰度。 结果表明在“种冶级分类水平上,负二项式分布
为最优估计模型,估计细菌丰度为 244依10(SE)。 不过,受实验条件的限制,该估计值可能偏低。
关键词:细菌;物种丰度;南海;沉积物
Prediction of bacterial species richness in the South China Sea slope sediments
LI Tao1,2, WANG Peng1,*
1 State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
2 Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China
Abstract: Two families of statistical approaches, parametric models and nonparametric estimates, were developed and used
to predict bacterial species richness in core MD05鄄2896 collected from the South China Sea during the Chinese鄄French joint
MARCO POLO / IMAGES 147 cruise ( chief operator Yvon Balut) . MD05鄄 2896 (08毅49. 50忆N, 111毅26. 47忆E) was an
11郾 03 m long core collected from the SCS south slope, where the water depth is 1 657 m. A total of twelve microbial
subsamples were collected from the top to the bottom of the core at intervals of 1 m. For each sample, we extracted the bulk
DNA and amplified the bacterial 16S rRNA gene sequences. All of the bacterial 16S rRNA gene sequences were used to
construct a 16S rRNA gene library. A total of 194 unique phylotypes were identified based on the phylogenetic analysis,
most of which clustered into 17 phyla that belong to Planctomycetes, Proteobacteria, Chloroflexi, Actinobacteria,
Sprirochaetes, Verrucomicrobia, Acidobacteria, Bacteriodetes, Defferribacteres, Nitrospirae, and candidate divisions OP1,
OP3, OP8, OP11, JS1, WS3, and TM6. All sequences were grouped into Operational Taxonomic Units (OTUs) based on
99% , 98% , 97% , 95% , 90% , and 80% similarity cut鄄off values. Sequences were aligned using the CLUSTALW
software, after which the% sequence similarity was calculated and the sequences were grouped into OTUs using the
unweighted pair group method. These frequency data were then analyzed by parametric models and coverage鄄based
nonparametric estimates, ACE and ACE鄄 1, respectively. Because nonparametric estimates usually underestimate the
species richness, this study focused on application of parametric models. Five models, including the inverse Gaussian, log
normal, negative binomial, Pareto and 2鄄mixed exponential, were adopted to fit asymptotically with the OTU忆s frequency
data and predict the species richness. The parametric models were implemented step by step according to the procedures
http: / / www. ecologica. cn
described by Hong et al. , and the best fitted model was selected for the final parametric analysis. At the level of 99%
rRNA sequence similarity, our data were best described by the 2鄄mixed exponential distribution model, which estimates the
richness at 326 依 40 ( SE). At the level of 97% rRNA sequence similarity, the negative binomial distribution model
describes our data best with an estimated richness of 244依10(SE). At the level of 95% rRNA sequence similarity, the
negative binomial distribution model best described the data and estimated the richness at 220依6(SE). At the level of 90%
rRNA sequence similarity, the 2鄄mixed exponential distribution model best described the data and estimated the richness at
127依4(SE). At the level of 80% rRNA sequence similarity, the Pareto distribution model described the data best and
estimated the richness at 62依4( SE). The 99% , 97% , 95% , 90% , and 80% rRNA gene sequence similarities were
adopted to identify bacterial strain, species, genera, families / classes, and phyla, respectively. Accordingly, core MD05鄄
2896 contains at a minimum of 326 依 40(SE) bacterial strains, 244 依 10 (SE) bacterial species, 62 依 4 (SE) bacterial
phyla, 127 依 4 ( SE) bacterial families / classes, and 220 依 6 ( SE) bacterial genera. However, these numbers are
conservative because of the limitations associated with laboratory experiments, such as coextracted interfering substances
including humic and fulvic acids, and PCR bias.
Key Words: bacteria; species richness; the South China Sea; sediment
自然界中存在的微生物可能多达上百万种[1],然而,它们中的大多数没有被观测到甚至没有被检出,这
些微生物的存在只能根据预测来推断;不过,这种预测也仅仅是基于猜测,以目前的技术还无法完全检测出微
生物多样性(本文仅讨论微生物种数或丰度)全貌。 基于非培养的 rRNA 技术是研究环境微生物多样性最有
效的工具[2],16S rRNA克隆文库相比其他研究手段能更多地揭示群落多样性信息,基于 16S rRNA 克隆文库
对微生物丰度的预测更能趋近于客观真实,在土壤、水体、潮间带等环境中的细菌丰度的估计得到了广泛
应用[3]。
从已发表的文献来看,常用于预测物种丰度的方法主要有两大类:参数模型法和非参数估计法。 共有 5
种参数模型:逆高斯分布、对数正态分布、负二项式分布、双参数(形状+标尺)帕雷托分布、双指数分布等,
Hong等基于 Maple软件开发出相应的计算程序[3],供研究使用。 基于丰度覆盖估计法(ACE)以及适用于高
异质种群的 ACE鄄1法是两种用得较多的非参数估计法,基于此算法,Chao 等开发 SPADE (Species Prediction
And Diversity Estimation)软件[4]免费下载使用。
为防止估计模型的选择不当对估计值可靠性的影响,本文综合使用了以上参数模型法和非参数估计法共
7 种方法对来自南海陆坡的一沉积物柱中的细菌丰度进行估算,并通过比较各种方法与观测数据的吻合程
度,找到最佳估计。 此外,由于单一样品 16S rRNA基因文库规模较小,不能全面反映细菌的多样性,本文从该
沉积物柱不同深度采集 12 个微生物样品来构建细菌 16S rRNA基因文库。
1摇 材料与方法
1. 1摇 实验材料
2005 年 5 月 15 日—6月 8 日 IMAGES147 航次获得的深海沉积物柱 MD05鄄2896,采样点位于南海陆坡区
的南沙珊瑚礁台地西部边缘(08毅49. 50忆N, 111毅26. 47忆E,水深 1 657 m)。 采用无扰动箱式采泥器采集沉积物
柱,总长 11 m,从表层到底层以 1 m等间距采样,共 12 个微生物样品,船上于 -20 益 下保存, 运回实验室后
储存于-80 益。
1. 2摇 PCR扩增、RFLP 分析与系统发育树的构建
12 个微生物样品各称取 5 g,采用 Zhou 抽提法[5]分别提取总 DNA,使用细菌 16S rRNA 通用引物 Eubac
27F和 Eubac 1492R进行 PCR扩增[6]。 PCR扩增得到的片断经纯化后克隆到 pMD鄄 18T (TaKaRa) 载体上,
并转化到大肠杆菌 DH5琢 感受态细胞,挑取阳性转化子,利用 PCR扩增引物重新扩增插入片断。 使用内切酶
Msp玉(Fermentas) 切割,分析电泳带型,挑选不同带型克隆子测序,并统计不同带型的克隆子数,将序列提交
782摇 1 期 摇 摇 摇 李涛摇 等:南海陆坡沉积物细菌丰度预测 摇
http: / / www. ecologica. cn
到 RDP域(ribosomal database project)数据库,利用 CHECK鄄 CHIMERA检验,去除不合理序列。 应用 BLASTN
程序(www. ncbi. nlm. nih. gov / BLAST / )搜索相似性序列,采用 ClustalX(Version 1. 8)进行比对分析,通过
PAUP(Version 4. 0b10) [7]构建系统发育树,使用 Neighbor鄄Joining 建树方法,选择 Jukes鄄Cantor 进化距离。 细
菌 16S rRNA 基 因 序 列 在 Genbank 核 苷 酸 数 据 库 中 的 接 受 号 为 EU048662—EU048694 和
EU385666—EU385826。
1. 3摇 参数模型的建立
利用 CLUSTUALW软件对沉积物柱 MD05鄄 2896 细菌 16S rRNA 序列进行序列比对分析,计算序列相似
性,以 99% 、98% 、97% 、95% 、90% 和 80% 的序列一致性作为分界标准,根据 OS clustering 程序的算法
(http: / / www. compbio. dundee. ac. uk / Software / OC / oc. html),利用无加权组群方法对序列进行聚类分析,将群
组定义为“分类单元冶(OTU),计算每个分类单元中的出现次数,即分类单元中的 16S rRNA 序列数。 将分类
单元出现次数依次从小到大排列,统计出现次数相同的分类单元个数。 以分类单元出现次数和对应的分类单
元个数的频次作为进一步分析的基础数据。
参数模型通过对样品数据进行拟合,构建相应的物种丰度分布模型,预测群落中未观测到的物种数
据[8]。 首先区分统计意义上“丰富的冶和“稀有的冶分类单元。 选取一个适当的右截点(子),当分类单元出现次
数>子时,则为“丰富的冶;当分类单元出现次数<子时,则为“稀有的冶。 然后利用文献[3]提供的 5 种参数模型方
法进行估计。 通过比较不同的估计方法,得出最合理的估计值。 选取的标准有:(1)拟合优度(GOF)检验:自
然拟合优度(na觙ve GOF)和渐进拟合优度;(2)能得到有生物学意义的标准差;(3)使用物种频率观测数据的
最大限度值(即最大的右截点)。
无参数估计法采用“标记释放回捕法冶(MRR) [9],认为被再次观测到的物种(“回捕冶)与仅观测到一次的
物种能达到均衡,即在多样性高的群落中,物种被再次观测到的几率较小,数量丰富的物种仅能被观测到一
次;相反在一个多样性很低的群落,数量丰富的物种被再次观测到的几率则较高。 该类方法基于“丰富的冶物
种和“稀少的冶的物种的相对丰度,来建立估算公式,并利用标准差检验。 本文利用 SPADE软件[4]中提供的 2
种方法对细菌丰度进行估计。
由于非参数模型估计一般会低估微生物多样性;因此,本文主要讨论参数模型对细菌丰度的估计。
2摇 结果
2. 1摇 16S rRNA基因文库细菌多样性
以 97%序列相似性作为代表型的分界标准,1 329 条细菌 16S rRNA 基因序列分别属于 190 个系统发育
型,系统发育分析结果表明这些系统发育型主要来自 17 个已知的类群(“门冶):浮霉状菌(Planctomycetes)、变
形杆菌(Proteobacteria)、绿屈挠杆菌(ChloroFlexi)、放线菌(Actinobacteria)、螺旋体( Spirochaetes)、疣微菌
(Verrucomicrobia)、酸杆菌(Acidobacteria)、拟杆菌(Bacteriodetes)、铁还原杆菌(Defferribacteres)、硝化螺菌
(Nitrospirae)以及 candidate division OP1、OP3、OP8、OP11、JS1、WS3、TM6。 细菌 16S rRNA基因克隆子数和代
表型数在细菌“门冶中的分布见表 1。
2. 2摇 利用模型预测的结果
以 99% 、98% 、97% 、95% 、90% 、80%序列相似性作为分类单元的分界,利用无加权组群方法对 1 329 条
细菌 16S rRNA基因序列进行聚类分析,分别组群成 212、194、190、168、115、和 50 个分类单元。 利用参数模
型来估算分类单元丰度值,结果见表 2。
从结果来看(表 2),参数模型得到的预测值一般高于非参数估计法,应从参数模型中寻找最佳估计。
Hong等认为应优先考虑与观测数据拟合程度最好的模型,如果存在多个模型与观测数据的拟合程度都较好,
则比较他们的标准差[3],得到最优模型,本文也依此寻找最佳估计。 从本研究数据来看,出现次数较少( <5
次),尤其出现次数为 1 次的分类单元个数最多,它们是群落的主体;模型拟合的结果是否与观测数据吻合,
关键是出现次数小于5次的分类单元个数的预测值是否接近观测值。结果表明当分类单元分界为99%和
882 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
http: / / www. ecologica. cn
表 1摇 沉积物柱MD05鄄2896 克隆子在细菌“门冶中的分布
Table 1摇 Bacterial phyla detected among sequenced clones in sediment core MD05鄄2896
门
Phyla
代表型个数
Number of phylotypes
克隆子个数
Number of clones
1 变形杆菌(Proteobacteria)
Alpha 5 142
Delta 22 200
Gamma 1 13
2 浮霉状菌(Planctomycetes) 52 318
3 绿屈挠杆菌(ChloroFlexi) 13 79
4 OP1 1 16
5 OP3 15 116
6 OP8 8 69
7 OP11 11 55
8 JS1 3 106
9 WS3 2 10
10 TM6 2 11
11 放线菌(Actinobacteria) 3 36
12 螺旋体(Spirochaetes) 4 40
13 疣微菌(Verrucomicrobia) 5 33
14 酸杆菌(Acidobacteria) 7 47
15 拟杆菌(Bacteriodetes) 3 8
16 铁还原杆菌(Defferribacteres) 2 18
17 硝化螺菌(Nitrospirae) 2 11
18 未知门(Unclear affiliation) 29 181
合计 Total 190 1509
摇 摇 以 97%序列相似性作为代表型的分界
表 2摇 沉积物柱MD05鄄2896 中细菌的丰度
Table 2摇 Bacterial richness of the core MD05鄄2896
分类单元
界线
Operational
taxonomic
units
boundary
统计量
Statistic
样品丰度
的观测值
Sample忆s
richness
detected
样品丰度的估计值 Estimate of the total samples忆 richness
参数模型 Parametric model
逆高斯分布
Inverse
Gaussian
对数正
态分布
Log
Normal
负二项
式分布
Negative
Binomial
双指数分布
2鄄mixed
Expomential
帕雷托分布
Pareto
无参数估计
Nonparametric
estimators
ACE ACE鄄1
99% 分类单元 个数 212 244 246 300 326 283 255 267
标准差(SE) 9 10 88 40 10 12 17
原始拟合优度 0. 043 0. 03 0. 447 0. 483 0. 015 NP NP
渐进拟合优度 0. 242 0. 0214 0. 637 0. 867 0. 177 NP NP
右截点(子) 18 18 21 36 9 18 18
98% 分类单元 个数 194 219 221 248 273 251 229 238
标准差(SE) 8 8 10 27 9 10 15
原始拟合优度 0. 074 0. 058 0. 023 0. 271 0. 039 NP NP
渐进拟合优度 0. 364 0. 345 0. 125 0. 942 0. 311 NP NP
右截点(子) 18 18 12 30 10 18 18
97% 分类单元 个数 190 214 216 244 256 244 223 232
标准差(SE) 7 8 10 23 9 10 15
原始拟合优度 0. 107 0. 086 0. 009 0. 486 0. 017 NP NP
渐进拟合优度 0. 174 0. 165 0. 092 0. 987 0. 239 NP NP
982摇 1 期 摇 摇 摇 李涛摇 等:南海陆坡沉积物细菌丰度预测 摇
http: / / www. ecologica. cn
摇 摇 续表
分类单元
界线
Operational
taxonomic
units
boundary
统计量
Statistic
样品丰度
的观测值
Sample忆s
richness
detected
样品丰度的估计值 Estimate of the total samples忆 richness
参数模型 Parametric model
逆高斯分布
Inverse
Gaussian
对数正
态分布
Log
Normal
负二项
式分布
Negative
Binomial
双指数分布
2鄄mixed
Expomential
帕雷托分布
Pareto
无参数估计
Nonparametric
estimators
ACE ACE鄄1
右截点(子) 18 18 11 25 10 18 18
95% 分类单元 个数 168 183 183 220 250 162 191 196
标准差(SE) 4 6 6 33 9 8 10
原始拟合优度 0 0 0 0. 005 0 NP NP
渐进拟合优度 0 0 0 0. 806 0 NP NP
右截点(子) 5 6 8 46 6 10 10
90% 分类单元 个数 115 124 124 149 127 162 129 132
标准差(SE) 3 3 9 4 9 6 9
原始拟合优度 0. 001 0. 001 0. 001 0. 006 0 NP NP
渐进拟合优度 0 0 0 0. 003 0 NP NP
右截点(子) 5 5 7 6 6 10 10
80% 分类单元 个数 50 54 54 61 54 62 55 56
标准差(SE) 3 2 5 2 4 4 5
原始拟合优度 0. 104 0. 103 0. 009 0. 112 0. 548 NP NP
渐进拟合优度 NA NA NA NA NA NP NP
右截点(子) 5 5 8 5 7 10 10
摇 摇 表中的黑体数值代表最佳估计值。 表中缩写 NA代表不可用;NP 代表无法计算
图 1摇 细菌克隆子库中的分类单元频率分布及参数模型拟合
Fig. 1摇 Frequency distribution of OTUs in the bacterial library versus parametric model忆s fitted values
092 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
http: / / www. ecologica. cn
90%序列一致性时,双指数分布为最佳估计模型,估计值分别为 326依40 (SE) 和 127依4 (SE);当分类单元分
界为 98%和 80%序列一致性时,帕雷托分布为最佳估计模型,估计值分别为 251依9 (SE) 和 62依4 (SE);当分
类单元分界为 97%和 95%序列一致性时,负二项式分布为最佳估计模型,估计值分别为 244依10 (SE)和 220依
6 (SE)。 图 1 显示了以 99% 、97% 、90%和 80%序列一致性为分类单元分界标准,最优分布模型估计的分类
单元出现次数及对应的分类单元个数与实际数据的拟合情况。 从图上看,分类单元个数预测与实际值较吻
合,尤其是出现次数较少的分类单元个数的预测与实际数据基本一致,选取的模型符合对细菌丰度的估计。
目前,利用 16S rRNA基因序列对细菌“种冶的划分还存在较大争议,1%和 3%的序列差异都被用于“种冶
的定义,较合理的办法是以 1%序列差异作为菌株分类标准,以 3%作为“种冶的分类标准[3],在此标准下,估
计约 326依40(SE)个菌株,244依10 (SE)个种。
细菌的“属冶、“科冶 / “纲冶和“门冶等分类单元很难通过 16S rRNA 基因序列的差异来准确划分,已有文献
分别将 5% 、10%和 20%的序列差异作为以上各分类单元的界限[10鄄12]。 依此推断沉积物柱 MD05鄄 2896 中细
菌群落大约包括 62依4 (SE)个“门冶,127依4 (SE)个“科冶 / “纲冶和 220依6 (SE)个“属冶。
3摇 讨论
3. 1摇 细菌丰度估计的可靠性
从已发表的文献来看,来自不同环境的样品,对细菌丰度的估计值相差很大,如耕地或重金属污染的土壤
中细菌丰度估计值为 300—1 500[8, 13];而未开发土壤中的细菌丰度的估计值则高达 6 000—10 000[14],甚至达
到 500 000[15]。 16S rRNA基因技术从环境样品中检出的细菌一般只有几十种,最多不过几百种,不同环境中
细菌丰度是否有如此大的差别? Hong等认为环境中细菌丰度不应有如此大的差别,这些估计值并不可靠,原
因在于研究者选择了错误的模型[3],但该观点并未获得证实。
为进一步探讨细菌丰度估计值的可靠性,本文与 Hong 等的研究结果进行了比较。 本文与 Hong 等的基
础数据都来自 16S rRNA基因文库,并采用了完全相同的估计模型,但得到细菌“种冶数的估计值却相差很大。
造成差异的原因可能与样品本身或构建的文库质量等因素有关。
从估计的结果来看,本文对细菌“种冶数的估计值与观测值相差不大,都为 102 量级,而且对采自西沙海槽
的沉积物柱 MD05鄄2902 中的细菌丰度预测值为 179依9 (SE),也只达到 102 量级;然而,Hong等细菌物种数量
的估计值约为观测值的 10 倍左右,为 103 量级[3]。 利用分布模型估计细菌丰度的原理是利用分类单元出现
次数的频率分布对观测值拟合,得出各参数值,进而估计未检出分类单元 个数。 在频率分布曲线上表现为:
曲线左端越陡,利用模型预测次数为 0(未检出)的分类单元个数则越多,预测值与观测值差别越大。 Hong 样
品的细菌克隆文库中绝大多数分类单元出现次数只有 1,即样品中绝大多数分类单元被再次观测到的几率
小,出现次数为 1 的分类单元个数远大于出现次数为 2(被再次观测)的分类单元个数,频率分布曲线左端很
陡,表明样品中存在大量未检测出的分类单元,估计值就远大于观测值。 本文研究样品的细菌克隆文库有较
多的分类单元出现次数大于 1,频率分布曲线左端相对较缓(图 1);利用分布曲线预测未检出的分类单元个
数较少,即分类单元被再次观测到的几率很高,遗漏的分类单元数量则较少,因而估计值接近观测值。
3. 2摇 细菌丰度估计的影响因素
影响细菌丰度估计值可靠性的因素主要有两个:首先是估计模型的选择,不同的估计模型得到的结果可
能有较大的差异;其次是用于估计的基础数据,而这种基础数据是通过实验手段来获取的,数据质量主要取决
于对实验技术的评价。
3. 2. 1摇 估计方法
目前,对参数模型和非参数估计法孰优孰劣存在较大的争议[9],即便只使用参数模型,存在如何选择模
型的困惑。
对参数模型而言,很难建立一个足够大的微生物多样性数据库来支持模型的使用和对各模型中的分布参
数进行赋值。 因为没有经验值,只能通过理论上来推断最佳模型。 但不同的学者对最佳模型的选取标准完全
192摇 1 期 摇 摇 摇 李涛摇 等:南海陆坡沉积物细菌丰度预测 摇
http: / / www. ecologica. cn
不同。 Curtis等认为细菌群落具有高动态性,增长随意,群落分布符合对数正态分布[14];不过 Jeon 指出当出
现次数为 1 的分类单元占很高比例时,逆高斯分布模型对微生物丰度有较好的估计[16];Hong 等认为并不存
在一个普遍适用的模型[3],只能通过综合利用各种模型来以增加估计的可靠性。
非参数估计法完全依赖于分类单元相对丰度的估计,在调查微生物多样性的过程中难免出现取样偏差;
此外,非参数估计法提供的是一个更小范围的分类单元多样性,即只从观察到的分类单元中获取信息,与参数
模型不同,非参数估计法不能给出分类单元相对丰度的假想分布,容易忽略了那些“稀少的冶分类单元,导致
对微生物丰度的低估。
3. 2. 2摇 实验技术
就实验本身而言,任何实验都无法检测自然界中的全部微生物。 基于 16S rRNA基因的 PCR鄄RFLP 方法
也不例外,同样会造成对生物多样性的低估,该技术影响微生物多样性低估的主要因素是克隆文库的规模和
实验偏差。
图 2摇 细菌 16S rRNA基因克隆文库稀疏曲线
Fig. 2摇 Rarefaction curves of bacterial 16S rRNA gene library
从上到下依次为:8m,7m,4m,6m,2m,11m,3m,surface,1m,9m,10m
和 5m
(1)克隆文库的规模
克隆文库并非越大越好,因为哪怕构建最大的克隆
文库,也不能穷尽所有的微生物。 不过,如果克隆文库
选取过小,则会丧失部分物种多样性信息。 文库要达到
何种规模,才能满足完全反映多样性的要求? 稀疏分
析[13]以及克隆文库的覆盖度 C值[17]能提供判断依据。
使用 Analytic Rarefaction软件对本文研究的 12 个样品
分别绘制 16S rRNA基因克隆文库稀疏曲线(图 2),从
图上可以看出,所有稀疏曲线在克隆子数达到 100 后趋
于平缓,部分达到平台期。 从表层往下,C 值分别为
89% 、90% 、93% 、92% 、79% 、92% 、87% 、79% 、85% 、
97% 、77%和 83% ,这些样品的克隆文库的 C 值多数在
90%左右或大于 90%以上。 综合稀疏分析和覆盖度计
算结果,细菌 16S rRNA基因克隆文库能大致反映微生
物多样性。
(2)实验偏差
实验过程中的偏差主要表现在总 DNA的损耗、PCR扩增效率以及 PCR偏嗜性。
环境样品总 DNA的提取,无论是物理裂解,化学裂解,还是生物裂解,在提取过程中都会引起 DNA 的损
耗。 如物理裂解造成长片断 DNA的物理剪切;化学裂解法不能完全去除腐殖酸、色素和重金属等杂质;抽提
后残余的苯酚等会影响 PCR的扩增效率[18]。
PCR的偏嗜性主要表现在:(1)PCR扩增过程中,模板浓度过低会引起模板的随机扩增[18],高 GC含量的
模板比低 GC含量的模板扩增效率低[19],低 GC含量模板更易于扩增,结果扩增产物中低 GC含量 DNA偏多。
(2)目前通用的 16S rRNA基因引物扩增范围并不能完全覆盖所有目标类群[18],尤其是针对深海环境中的微
生物,据 Webster 等的估计,27F 和 1492R 引物分别覆盖自然界中全部细菌的 72. 9%和 16. 3% [18];不过,
Webster的观点可能过于保守,目前还很难找到替代的通用引物,更别说针对深海环境的通用引物。
虽然基于 16S rRNA基因的 PCR鄄RFLP 方法会低估环境中微生物多样性,但却是目前最成熟的方法,对微
生物丰度的预测也多基于由该方法所获取的多样性数据。 随着技术的发展,16Sr DNA鄄DGGE(变性凝胶电
泳)、宏基因组文库中的数据也将逐渐用于估计环境样品中微生物的丰度,对 PCR鄄RFLP 方法进行进一步的
验证。
总之,本文对南海陆坡沉积物柱细菌丰度进行最优估计估计,以 97%序列一致性作为“种冶的划分标准,
292 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
http: / / www. ecologica. cn
负二项式分布模型最优,估计细菌的种数为 244依10(SE),鉴于 16S rRNA基因的 PCR鄄RFLP 实验技术会低估
细菌的多样性,该值可能偏低。
References:
[ 1 ]摇 Tiedje J M. Microbial diversity: of value to whom? ASM News, 1994, 60: 524鄄525.
[ 2 ] 摇 Olsen G J, Lane D J, Giovannoni S J, Pace N R, Stahl D A. Microbial ecology and evolution: a ribosomal RNA approach. Annual Review of
Microbiology, 1986, 40(1): 337鄄365.
[ 3 ] 摇 Hong S H, Bunge J, Jeon S O, Epstein S S. Predicting microbial species richness. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United
States of America, 2006, 103(1): 117鄄122.
[ 4 ] 摇 Chao A, Shen T J. Program SPADE (Species Prediction and Diversity Estimation) . Program and user忆s guide Available from: http: / / chao. stat.
nthu. edu. tw.
[ 5 ] 摇 Zhou J Z, Davery E, Figure J B, Rivkina E, Gilichinsky D, Tiedje J M. Phylogenetic diversity of a bacterial community determined from Siberian
tundra soil DNA. Microbiology, 1997, 143(12): 3913鄄3919.
[ 6 ] 摇 DeLong E F. Archaea in coastal marine environments. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1992, 89
(12): 5685鄄5689.
[ 7 ] 摇 Swofford D L. PAUP: Phylogenetic Analysis Using Parsimony (* and Other Methods) . Version 4. 0. Sinauer Associates: Sunderland,
Massachusetts, 1999.
[ 8 ] 摇 Hughes J B, Hellmann J J, Ricketts T H, Bohannan B J M. Counting the uncountable: statistical approaches to estimating microbial diversity.
Applied and Environmental Microbiology, 2001, 67(10): 4399鄄4406.
[ 9 ] 摇 Bohannan B J M, Hughes J. New approaches to analyzing microbial biodiversity data. Current Opinion in Microbiology, 2003, 6(3): 282鄄287.
[10] 摇 Schloss P D, Handelsman J. Status of the microbial census. Microbiology and Molecular biology Reviews, 2004, 68(4): 686鄄691.
[11] 摇 Hugenholtz P, Goebel B M, Pace N R. Impact of Culture鄄Independent Studies on the Emerging Phylogenetic View of Bacterial Diversity. Journal of
Bacteriology, 1998, 180(18): 4765鄄4774.
[12] 摇 Sait M, Hugenholtz P, Janssen P H. Cultivation of globally distributed soil bacteria from phylogenetic lineages previously only detected in
cultivation鄄independent surveys. Environmental Microbiology, 2002, 4(11): 654鄄666.
[13] 摇 Kemp P F, Aller J Y. Bacterial diversity in aquatic and other environments: what 16S rDNA libraries can tell us. FEMS Microbiology Ecology,
2004, 47(2): 161鄄177.
[14] 摇 Curtis T P, Sloan W T, Scannell J W. Estimating prokaryotic diversity and its limits. Proceedings of the National Academy of Sciences of the
United States of America, 2002, 99(16): 10494鄄10499.
[15] 摇 Dykhuizen D E. Santa Rosalia revisited: Why are there so many species of bacteria? Antonie van Leeuwenhoek, 1998, 73(1): 25鄄33.
[16] 摇 Jeon S O, Bunge J, Stoeck T, Barger K J A, Hong S H, Epstein S S. Synthetic statistical approach reveals a high degree of richness of microbial
eukaryotes in an anoxic water column. Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(10): 6578鄄6583.
[17] 摇 Lee S M, Chao A. Estimating population size via sample coverage for closed capture鄄recapture models. Biometrics, 1994, 50(1): 88鄄97.
[18] 摇 Webster G, Newberry C J, Fry J C, Weightman A J. Assessment of bacterial community structure in the deep sub鄄seafloor biosphere by 16S rDNA鄄
based techniques: a cautionary tale. Journal of Microbiological Methods, 2003, 55(1): 155鄄164.
[19] 摇 Wintzingerode F V, G觟bel U B, Stackebrandt E. Determination of microbial diversity in environmental samples: pitfalls of PCR鄄based rRNA
analysis. FEMS Microbiology Reviews, 1997, 21(3): 213鄄229.
392摇 1 期 摇 摇 摇 李涛摇 等:南海陆坡沉积物细菌丰度预测 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 1 January,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
Integrating ecological civilization into social鄄economic development WANG Rusong ( 1 )……………………………………………
The effect of land cover pattern on hillslope soil and water loss in the arid and semi鄄arid region: a review
GAO Guangyao, FU Bojie, L譈 Yihe, et al ( 12 )
……………………………
…………………………………………………………………………………
The status and trend on the urban tree canopy research JIA Baoquan, WANG Cheng, QIU Erfa,et al ( 23 )…………………………
Bioindicators and Biomonitors in Environmental Quality Assessment
Bernd Markert, WANG Mei忆e,Simone W俟nschmann,et al ( 33 )
……………………………………………………………………
…………………………………………………………………
Electron transfer capacities of dissolved organic matter and its ecological effects BI Ran,ZHOU Shungui, YUAN Tian,et al ( 45 )…
Autecology & Fundamentals
Antioxidative responses of Abies fabri seedlings to litter addition and temperature elevation
YANG Yang, YANG Yan, WANG Genxu,et al ( 53 )
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Effects of seed soaking with different concentrations of 5鄄aminolevulinic acid on the germination of tomato (Solanum lycopersicum)
seeds under NaCl stress ZHAO Yanyan, HU Xiaohui, ZOU Zhirong, et al ( 62 )………………………………………………
Influence of magnesium deficiency on chlorophyll fluorescence characteristic in leaves of Newhall navel orange
LING Lili, PENG Liangzhi, WANG Nanqi, et al ( 71 )
………………………
……………………………………………………………………………
Leaf traits of 66 herbaceous species in Songnen grassland in Northeast China
SONG Yantao, ZHOU Daowei, WANG Ping, et al ( 79 )
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effects of nectar secondary compounds on pollination of co鄄flowering species in a natural community
ZHAO Guangyin, LI Jianjun, GAO Jie ( 89 )
…………………………………
………………………………………………………………………………………
The continuous life鄄table of Leptocybe invasa ZHU Fangli, QIU Baoli, REN Shunxiang ( 97 )…………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Dominant climatic factors of Quercus mongolica geographical distribution and their thresholds
YIN Xiaojie, ZHOU Guangsheng, SUI Xinghua,et al (103)
…………………………………………
………………………………………………………………………
Fruit diet, Selectivity and Seed dispersal of Hatinh langur (Trachypithecus francoisi hatinhensis)
Nguyen Haiha, BAI Bing, LI Ning,et al (110)
………………………………………
……………………………………………………………………………………
The distribution of living coccolithophore in East China Sea in autumn, 2010 JIN Shaofei, SUN Jun, LIU Zhiliang (120)…………
The association of OPRK1 gene SNP with sika deer (Cervus nippon) diurnal behavior traits
L譈 Shenjin, YANG Yan,WEI Wanhong (132)
…………………………………………
………………………………………………………………………………………
Preliminary study on bird composition and diversity in Poyang Lake watershed during non鄄breeding period
SHAO Mingqin, ZENG Binbin, XU Xianzhu,et al (140)
……………………………
…………………………………………………………………………
Coexistence mechanism of two species passerines in man鄄made nest boxes LI Le, ZHANG Lei, YIN Jiangxia, et al (150)…………
Dynamics on soil faunal community during the decomposition of mixed eucalypt and alder litters
LI Yanhong, YANG Wanqin, LUO Chengde, et al (159)
………………………………………
…………………………………………………………………………
RS / GIS鄄based integrated evaluation of the ecosystem services of the Three Gorges Reservoir area (Chongqing section)
LI Yuechen,LIU Chunxia,MIN Jie,et al (168)
………………
……………………………………………………………………………………
Landscape, Regional and Global Ecology
The distribution of soil organic carbon as affected by landforms in a small watershed of gully region of the Loess Plateau
LI Linhai,GAO Erhu, MENG Meng, et al (179)
……………
……………………………………………………………………………………
Effects of coastal geographical characteristics on the abundance of submerged aquatic vegetation
WU Mingli, LI Xuyong,CHEN Nianlai (188)
………………………………………
………………………………………………………………………………………
Analysis of soil physical properties under different vegetation types in the alluvial fan area of Manas River watershed
CAO Guodong, CHEN Jiehua, XIA Jun, et al (195)
………………
………………………………………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
Effects of farming on wetland soil seed banks in the Sanjing Plain and wetland restoration potential
WANG Guodong, Beth A Middleton, L譈 Xianguo, et al (205)
…………………………………
……………………………………………………………………
Effects of the microhabitats on the seedling emergence during the flooding disturbance
AN Hongyan, XU Hailiang, YE Mao, et al (214)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Analysis on the limiting factors to further improve yield of summer maize in Heilonggang River Valley
XU Lina, TAO Hongbin, HUANG Shoubing, et al (222)
………………………………
…………………………………………………………………………
Fungal diversity in rhizosphere soil of medicinal plants in Heilongjiang Province
MU Dongyan, L譈 Guozhong, SUN Xiaodong, et al (229)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Integrated assessment of mariculture ecosystem health in Sanggou Bay FU Mingzhu,PU Xinming, WANG Zongling,et al (238)……
Urban, Rural and Social Ecology
The integrative assessment on ecological quality status of Luoyuan Bay based on ‘OOAO principle爷
WU Haiyan, WU Yaojian, CHEN Keliang, et al (249)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Trophic state of seawater and ecological characteristics of phytoplankton in Sishili Bay
LI Bin, BAI Yanyan, XING Hongyan, et al (260)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Ecological footprint depth and size: new indicators for a 3D model FANG Kai (267)…………………………………………………
Landscape dynamics of medium鄄 and small鄄sized cities in eastern and western China: a comparative study of pattern and driving
forces QI Yang, WU Jianguo, LI Jianlong, et al (275)……………………………………………………………………………
Research Notes
Prediction of bacterial species richness in the South China Sea slope sediments LI Tao, WANG Peng (286)…………………………
Spatial pattern of seedling regeneration of Ulmus pumila woodland in the Otindag Sandland
LIU Zhen, DONG Zhi, LI Hongli, et al (294)
……………………………………………
……………………………………………………………………………………
Impacts on seed germination features of Eupatorium adenophorum from variable light stimulation and traditional dormancy鄄broken
methods JIANG Yong, LI Yanhong, WANG Wenjie,et al (302)…………………………………………………………………
Opinions
Discus for classification of plant association XING Shaohua,YU Mengfan,YANG Lijuan,et al (310)…………………………………
613 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
国内邮发代号:82鄄7,国外邮发代号:M670
标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
全国各地邮局均可订阅,也可直接与编辑部联系购买。 欢迎广大科技工作者、科研单位、高等院校、图书
馆等订阅。
通讯地址: 100085 北京海淀区双清路 18 号摇 电摇 摇 话: (010)62941099; 62843362
E鄄mail: shengtaixuebao@ rcees. ac. cn摇 网摇 摇 址: www. ecologica. cn
摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 1 期摇 (2013 年 1 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 33摇 No郾 1 (January, 2013)
编摇 摇 辑摇 《生态学报》编辑部
地址:北京海淀区双清路 18 号
邮政编码:100085
电话:(010)62941099
www. ecologica. cn
shengtaixuebao@ rcees. ac. cn
主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
中国科学院生态环境研究中心
地址:北京海淀区双清路 18 号
邮政编码:100085
出摇 摇 版摇
摇 摇 摇 摇 摇 地址:北京东黄城根北街 16 号
邮政编码:100717
印摇 摇 刷摇 北京北林印刷厂
发 行摇
地址:东黄城根北街 16 号
邮政编码:100717
电话:(010)64034563
E鄄mail:journal@ cspg. net
订摇 摇 购摇 全国各地邮局
国外发行摇 中国国际图书贸易总公司
地址:北京 399 信箱
邮政编码:100044
广告经营
许 可 证摇 京海工商广字第 8013 号
Edited by摇 Editorial board of
ACTA ECOLOGICA SINICA
Add:18,Shuangqing Street,Haidian,Beijing 100085,China
Tel:(010)62941099
www. ecologica. cn
Shengtaixuebao@ rcees. ac. cn
Editor鄄in鄄chief摇 WANG Rusong
Supervised by摇 China Association for Science and Technology
Sponsored by摇 Ecological Society of China
Research Center for Eco鄄environmental Sciences, CAS
Add:18,Shuangqing Street,Haidian,Beijing 100085,China
Published by摇 Science Press
Add:16 Donghuangchenggen North Street,
Beijing摇 100717,China
Printed by摇 Beijing Bei Lin Printing House,
Beijing 100083,China
Distributed by摇 Science Press
Add:16 Donghuangchenggen North
Street,Beijing 100717,China
Tel:(010)64034563
E鄄mail:journal@ cspg. net
Domestic 摇 摇 All Local Post Offices in China
Foreign 摇 摇 China International Book Trading
Corporation
Add:P. O. Box 399 Beijing 100044,China
摇 ISSN 1000鄄0933
CN 11鄄2031 / Q
国内外公开发行 国内邮发代号 82鄄7 国外发行代号 M670 定价 90郾 00 元摇