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온천 틈새 전문가의 높은 종분화율

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온천 틈새 전문가의 높은 종분화율

ISME 저널(2023)인용

ISME 저널(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

생태학적 과정과 진화 과정은 동시에 미생물 다양성을 조절하지만, 진화 과정과 그 원동력은 아직 대부분 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 여기에서 우리는 16S rRNA 유전자의 서열을 분석하여 넓은 온도 범위(54.8-80°C)에 걸친 온천에서 미생물군의 생태학적 및 진화적 특성을 조사했습니다. 우리의 결과는 틈새 전문가와 틈새 일반주의자가 생태학적 역학과 진화 역학의 복잡한 상호 작용에 포함되어 있음을 보여주었습니다. 열 내성 틈새 축에서 열(T) 민감성(특정 온도에서) 대 T 저항성(최소 5개 온도에서) 종은 틈새 폭, 공동체 풍부도 및 분산 잠재력이 다르며 결과적으로 잠재적인 진화 궤도가 다릅니다. 틈새 전문 T에 민감한 종은 강한 온도 장벽을 경험하여 완전히 종 이동과 높은 적합도를 나타내지만 각 온도("가정 틈새")에서 풍부한 공동체가 부족하므로 이러한 절충은 높은 종분화에서 입증된 바와 같이 최고 성능을 강화했습니다. 온도에 따라 다양화 가능성이 증가합니다. 대조적으로, T-저항성 종은 틈새 확장에 유리하지만 높은 멸종률과 넓은 틈새 범위에서 알 수 있듯이 지역 성능이 좋지 않습니다. 이는 이러한 틈새 일반주의자가 "만능인, 무법자"임을 나타냅니다. 이러한 차이에도 불구하고 T에 민감한 종과 T에 저항하는 종은 진화적으로 상호작용합니다. 특히, T에 민감한 종에서 T-저항성 종으로의 지속적인 전이는 온도 전반에 걸쳐 상대적으로 일정한 수준에서 T-저항성 종의 배제 확률을 보장했습니다. T에 민감한 종과 T에 저항하는 종의 공동 진화와 공동 적응은 붉은 여왕 이론과 일치했습니다. 종합적으로, 우리의 연구 결과는 틈새 전문가의 높은 종분화가 환경 필터링으로 인한 다양성에 대한 부정적인 영향을 완화할 수 있음을 보여줍니다.

온도는 지열 생태계에서 미생물 다양성의 핵심 동인입니다[1,2,3]. 미생물 다양성이 온도와 상관관계가 있다는 것은 잘 알려져 있지만[4,5,6] 온도가 다양성을 조절하는 메커니즘을 이해하려는 노력은 두 가지 관점을 낳게 했습니다. 첫째로, 다양성은 내열성(종이 자랄 수 있는 온도 범위)의 종간 차이로 인해 현존하는 종의 구성 전환에 온도가 미치는 영향을 통한 생태적 과정의 결과입니다. 종 상호 작용의 결과 [8]. 두 번째로 다양성은 주로 종분화 및/또는 멸종률에 대한 온도 영향의 결과로 발생하는 진화 과정에서 비롯됩니다[9, 10]. 이러한 생태학적 및 진화적 과정은 일반적으로 동일한 맥락에서 동시에 발생하고 기여하지만[11, 12], 진화 과정은 생태학적 과정에 비해 대체로 탐구되지 않았습니다[13, 14].

종분화는 생물다양성의 궁극적인 동인이며, 종분화 속도에 영향을 미치는 요인과 종 풍부도에 대한 피드백을 이해하는 것은 생태학의 핵심 과제입니다. 주변 온도가 종 풍부성과 어떻게 관련되어야 하는지에 대한 구체적인 예측은 거대생물에 대한 생태학 대사 이론(MTE)의 맥락에서 개발되었으며[15, 16] 나중에 미생물까지 확장되었습니다[17, 18]. 이러한 이전 연구는 주로 45°C를 초과하지 않는 온도 구배에 중점을 둡니다. 최근 분석에 따르면 생태학의 대사 이론은 성장률의 온도 의존성을 고려할 때 중온성 물질(최적 온도 ≤ ​​45°C)에는 적용되지만 호열성 물질(>45°C)에는 적용되지 않으며 중온성 물질에 대해 E = 0.65eV의 활성화 에너지를 제안합니다. 그리고 호열성 물질의 경우 E ≒ 0eV입니다[19]. 호열성 대사가 표준 MTE 가설에서 벗어날 수 있는 한 가지 이유는 온도에 따라 일정한 바이오매스를 가정했지만 온천의 미생물 바이오매스는 온도에 따라 기하급수적으로 감소한다는 것입니다[20]. 호열성 생물의 경우 환경 온도가 진화 속도의 주요 결정 요인이었으며[21, 22] 일부 연구에서는 호열성 생성 시간이 온도와 반비례한다고 보고했으며[23], 이는 더 높은 온도에서 더 높은 종분화 속도를 예측합니다. 동시에, 온도가 높을수록 가혹한 환경 필터링을 통해 적응력이 떨어지는 미생물 종은 제외되고[5, 6] 결국 더 높은 멸종률을 보입니다. 그러나 계통발생적 관점에서 종분화와 멸종율의 온도 의존성에 대한 직접적인 증거는 아직 나타나지 않았습니다.

20, minimum length of 140 bp, and no ambiguous bases. Good quality reads were subjected to generate sub-operational-taxonomic-unit (sOTU, equal to amplicon sequence variant (ASV)) using Deblur [38] (Fig. 1A). The raw PacBio FL sequences were initially subjected to correct sequence errors using the JGI SMRT Portal "reads of insert" protocol with accuracy >99%, corresponding to Q20. Then, quality filtering, chimera detection and clustering were also performed via the Galaxy Pipeline mentioned above (Fig. 1A). Reads ≤1340 bp or ≥1640 bp were removed based on read length analysis [39]./p> Nexpected species), which means species occurring at a specific temperature and those occupying at least five temperatures were not randomly observed, but driven by deterministic factors. Based on this rationale, species found in a specific temperature were classified as T-sensitive species and those found in five to eight temperatures as T-resistant species. Then the T-resistant and T-sensitive as two evolutionary states were subjected to Binary-State Speciation and Extinction (BiSSE) model to calculate their speciation, extinction and transition rate [67]./p> N expected species, which means the species within the indicated temperature group are not randomly selected. In this study, the grouping criteria is 1 and ≥5, which is the rational for why we defined "T-sensitive" species as the species occurring at a specific temperature and "T-tolerant" species at least in five temperatures. The inset plot shows enrichments of species in five to eight temperatures. B The richness of T-sensitive and T-resistant species across temperatures. C, D The relationship of T-sensitive and T-resistant community structure with the whole community structure, respectively. E Variations in community abundance of T-sensitive and T-resistant species across temperatures quantified by ddPCR. F Variations in the within-community nearest-taxon index (NTI) between T-sensitive and T-resistant species. G The phylogenetic tree was constructed with 1555 species with clear taxonomic affiliations. Each species was represented by the most abundant OTU. Colors for both the branch and the innermost ring represent different Phyla, and colors for the outermost ring represent the thermal niche breadth (T-sensitive, T-resistant and others). The rings with inset bargraphs show the relative abundances of each OTU across temperatures. Temperature and species richness at each temperature were marked at the ends of the rings./p> EEP, diversification overwhelms environmental filtering and overall diversity increases with temperature, else if EDP < EEP, environmental filtering is advantageous over diversification and overall diversity decreases with temperature. Our results accorded well with the latter situation that EDP < EEP and RSDP vs EP decreased exponentially with temperature (R2 = 0.70, p < 0.001) (Fig. 5E), indicating that environmental filtering is dominant over diversification at high temperatures./p>