北极海绵共生微生物组的趋同进化与物种水平功能特化研究

《mSystems》：Taxonomically different symbiotic communities of sympatric Arctic sponge species show functional similarity with specialization at species level

　　本文系统研究了三种同域分布的北极海绵（Halichondria panicea、H. sitiens和Isodictya palmata）在6年时间跨度内的微生物组特征。研究通过16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组学（CORITES算法）揭示了低微生物丰度（LMA）海绵中稳定存在的α-和γ-变形菌门新型共生菌，发现尽管不同海绵物种携带分类学差异显著的共生菌群，但在群落水平均具有真核样蛋白（ELPs）、必需氨基酸/维生素合成通路等共生特征；而在物种水平，主要和次要共生菌分别富集不同类型的ELPs和代谢通路（如牛磺酸/磺基乙酸代谢途径专属于主要共生菌）。该研究通过荧光原位杂交（FISH）验证了共生菌的组织特异性定位，首次提出磺基乙酸代谢基因簇为潜在新型共生标志，并发现水温升高对微生物组的影响，为理解极地生态系统共生机制及气候变化响应提供了重要依据。

　　

微生物组分析揭示同域海绵的物种特异性共生菌群

通过对白海三种常见同域海绵（Halichondria panicea HP、Halichondria sitiens HS、Isodictya palmata IP）长达6年（2016/2018/2022年）的采样，研究团队通过16S rRNA基因扩增子测序发现这些海绵属于低微生物丰度（LMA）类型，且每种海绵均携带独特的优势操作分类单元（OTUs）：HP以OTU4（Candidatus Halichondribacter symbioticus）为主；HS以OTU3（γ-变形菌纲UBA10353目）为主；IP以OTU1（γ-变形菌纲Burkholderiales目）为主。通过共生菌判定标准（在海绵样本中出现频率高、相对丰度>1%、海绵/水体丰度比>50:1），进一步鉴定出HP的次要共生菌OTU23（α-变形菌纲Puniceispirillales目）以及HS的三种次要共生菌OTU7（Pseudomonadales目）、OTU9（HOC36目）、OTU14（γ-变形菌纲）。主坐标分析（PCoA）显示海绵微生物组与周围水体显著分离，且2018年高温事件导致部分共生菌在水体中短暂出现，暗示环境扰动可能影响微生物组的稳定性。

CORITES算法提升共生菌基因组重构质量

为获得高质量的宏基因组组装基因组（MAGs），研究团队开发了核心重叠群迭代扩展和支架（CORITES）算法，对来自不同样本和分箱工具的结果进行整合和优化。最终获得了7个海绵相关细菌（SABs）的中高质量MAGs（完整度>80%，污染度<5%），包括HP的OTU4和OTU23、HS的OTU3/OTU7/OTU9/OTU14以及IP的OTU1。系统发育分析表明这些共生菌分别属于6个新的细菌物种（如Ca. Yagmuria paniceus、Ca. Ahtobacter symbioticus等），其中4个属于已知的海绵/珊瑚相关类群，其余3个属于自由生活或混合来源类群，暗示其共生关系可能近期形成。

代谢互补揭示共生菌与宿主的互作潜能

通过KEGG代谢模块分析发现，所有共生菌MAGs均编码完整的糖酵解（M00001）和三羧酸循环（M00009）途径，但未发现可靠的氮代谢或自养碳固定途径，表明其为异养型。值得注意的是，HS的共生菌富含硫氧化途径（如OTU3编码反向异化硫酸盐还原DSR和硫氧化SOX系统；OTU14编码硫氧化酶SoeABC），而OTU7具有同化硫酸盐还原（ASR）途径，暗示群落内潜在的硫循环分工。与海绵转录组数据对比发现，海绵自身缺乏多种必需氨基酸（如支链氨基酸、芳香族氨基酸等）和维生素（B1、B2、B7、B12等）的合成能力，而共生菌MAGs中这些途径近乎完整，且表达氨基酸/维生素转运蛋白，表明共生菌可能为宿主提供营养补充。尤其在HS中，不同共生菌的氨基酸合成能力呈现互补分布（如OTU3特有甲硫氨酸和亮氨酸通路，OTU7特有精氨酸和色氨酸通路），体现了功能特化。

牛磺酸和磺基乙酸代谢作为潜在的共生标志

研究在海绵转录组中发现了完整的牛磺酸合成通路（从半胱氨酸出发），而所有优势共生菌（OTU4/OTU3/OTU1）均编码牛磺酸ABC转运蛋白（tauABC）和分解代谢酶（如taurine:pyruvate aminotransferase Tpa、sulfoacetaldehyde acetyltransferase Xsc）。更重要的是，这些菌还含有新型的磺基乙酸降解基因簇（sauST或sauSCD），与三组分三羧酸转运蛋白（TTT）基因相邻，可能负责磺基乙酸的吸收和利用。这类基因在非海绵相关菌中罕见，表明其可能是共生适应性的特征。研究推测海绵合成的牛磺酸可被共生菌利用作为碳、硫、氮源，而磺基乙酸可能是牛磺酸代谢的副产物，进一步被共生菌循环利用。

真核样蛋白和分泌系统体现共生适应性

共生菌MAGs中真核样蛋白（ELPs）的域频率显著高于非共生菌（2.2 vs 0.7 domains/Mb），其中Sel1重复域在OTU4/OTU23/OTU3/OTU7中富集，Tetratricopeptide重复域在OTU1/OTU9中富集，Fibronectin域在OTU14中富集。37%的ELPs含有分泌信号肽，其中OTU4的Sel1蛋白与Legionella pneumophila的LpnE（参与宿主细胞入侵）结构相似，且在转录组中表达。此外，侵袭蛋白B（IalB）基因在OTU4/OTU23/OTU3中表达，可能介导宿主细胞吞噬。分泌系统分析显示，HS共生菌编码多样的Ⅳ型菌毛（T4aP）和分泌系统，而HP共生菌缺乏这些系统，可能依赖ELPs进行宿主互作。

荧光原位杂交验证共生菌的空间分布

通过FISH技术证实了共生菌在海绵组织中的存在：OTU4（HP）为小杆状，集中于菌胞或中胶层；OTU3/OTU7/OTU9（HS）为杆状，OTU14（HS）为弯曲线状，分布于菌胞内或细胞间；OTU1（IP）为球形，形成细胞间微菌落。所有共生菌在海绵不同体区均有分布，但OTU23因丰度过低未能成像。

讨论与展望

本研究揭示了北极LMA海绵微生物组在分类学差异显著的背景下，通过功能趋同（如营养互补、硫代谢分工、牛磺酸利用）和物种特化（如ELP类型分化、代谢通路分布）维持共生稳定性。提出的磺基乙酸代谢途径为新型共生标志，而高温事件对微生物组的扰动警示了气候变化对极地生态的潜在威胁。这些发现为探索海绵-微生物共进化及环境应激响应提供了理论框架。