高原湖泊是敏感的哨兵生态系统，在指示区域乃至全球环境变化、维持生物多样性、提供生态服务功能等方面都发挥着不可替代的作用。青藏高原地区拥有世界上最密集的高原湖泊，被称为亚洲水塔，也是我国的重要生态屏障。随着全球暖化，青藏高原增温显著，近几十年来冰川退缩、永久冻土融化、降水变化严重，许多湖泊在水量、水文、营养负荷等方面正经历剧烈变化。因此，需要在精细尺度上探索青藏高原湖泊生物多样性分布和互作模式，为预测水生群落未来演替趋势和制定生态系统保护管理策略提供信息。

2024年5月27日，北京大学生命科学学院和生态研究中心姚蒙课题组与合作者在Cell Press跨学科综合期刊iScience发表题为“Distinct multitrophic biodiversity composition and community organization in a freshwater lake and a hypersaline lake on the Tibetan Plateau”的研究论文。该研究通过多组分子标记宏条形码技术分析不同水深和表层沉积物环境DNA（eDNA），首次揭示了青藏高原典型湖泊包括细菌、藻类、无脊椎动物和脊椎动物的多类群多营养级生物多样性组成，并解析了淡水湖和高盐湖间差异显著的生物群落和共现网络结构（图1）。

图1 eDNA技术解析高原湖泊多类群生物多样性组成和共现网络结构

研究以环境极为严酷的青藏高原阿里地区的长热湖（CRL；淡水湖）和芒错湖（MCL；高盐湖）为对象，对每个湖内多位点采集不同水层样本和表层沉积物。经过eDNA提取、多组分子标记宏条形码扩增、高通量测序和生物信息学处理，共鉴定得到134个蓝细菌、443个硅藻、1519个无脊椎动物和28个脊椎动物分子可操作分类单元（OTU）（图2）。长热湖的四个分类群OTU丰富度均高于芒错湖，且湖泊特有OTU占极大比例。一些已知在淡水生境中分布的物种仅在长热湖中检出，如梅尼小环藻、东方鳃肢虫；而嗜盐的西藏卤虫仅在芒错湖中检出（图3）。此外，长热湖沉积物的蓝细菌、硅藻和无脊椎动物α多样性显著高于水样，而两湖泊中沉积物样本间生物多样性差异（即β多样性）也整体高于水样。

图2 研究区域、采样位点和eDNA检测到的水样和沉积物样品中OTU数量分布

图3 淡水湖（长热湖）和高盐湖（芒错湖）检出的特有物种

进一步使用主坐标和置换多元方差分析探索了不同尺度下的群落组成差异（图4）。两湖泊间的群落组成存在明显分离，且湖泊内水和沉积物群落间也存在显著差异。不同水深间的生物组成有很大程度的重叠，表明水体中生物群落分层程度有限。此外，利用相似性百分比和特异性-占有率分析鉴定了不同生境下的潜在关键OTU。

图4 水和沉积物样本中四个生物类群OTU组成的主坐标（PCoA）分析

最后，基于蓝细菌、硅藻和无脊椎动物群落的优势OTU构建了两个湖泊水体和沉积物生境的共现网络（图5），并计算比较了不同网络的整体构成、节点特性和拓扑结构。研究发现，高盐湖网络展现出更高的复杂度、连通性及更低的模块性、负凝聚力指数（图6），提示高盐湖群落可能更不稳定并易受到环境扰动影响。

图5 长热湖（A）水样和（B）沉积物及芒错湖（C）水样和（D）沉积物中的多营养级共现网络

图6 不同湖泊生境类型中生物共现网络（A）正凝聚力指数、（B）负凝聚力指数和（C）负：正凝聚力指数的比较

该研究利用eDNA技术描绘了两个青藏高原典型湖泊的多营养级生物多样性图谱，强调了多类群、多生境监测对全面了解水生生物多样性的重要性。该研究为理解青藏高原特有水生生物区系的空间分布及其群落组成提供了信息，为探究不同盐度湖泊的生物特征、网络结构及生态系统稳定性提供了新依据，未来结合跨时空尺度和更广泛环境梯度的研究将有助于对高原湖泊生态系统的变化趋势做出科学预测。

该研究是姚蒙课题组继青藏高原冰川河流多营养级生物多样性流域分布模式（Lu et al., 2023, Environmental Research 220:115236）及冰川河—湖系统群落演替和群落构建机制（Lu et al., 2024, iScience 27:109476）后又一利用eDNA对青藏高原水生态系统多类群生物的研究。该系列研究旨在系统探究青藏高原复杂而鲜为人知的生物多样性，解析生物分布模式和群落共存机制，从而理解高原水生态系统过程并预测未来环境变化的可能影响。

北京大学生命科学学院博士生张思煜为本论文的第一作者，北京大学生命科学学院和生态研究中心姚蒙研究员及兰州大学泛第三极环境中心刘勇勤教授为论文的共同通讯作者。该研究得到了青藏二次科考项目、国家自然科学基金、云南社会发展项目和科技部基础资源调查项目等的资金支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.110124

更多论文：https://www.researchgate.net/profile/Meng-Yao-4