Высокий уровень специализации нишевых специалистов по горячим источникам.

Журнал ISME (2023 г.) Процитировать эту статью

68 доступов

3 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.