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刺胞动物微生物组的系统性整合揭示了其群落结构、特异性与稳定性  题目：Systematic review of cnidarian microbiomes reveals insights into the structure, specificity, and fidelity of marine associations 期刊：Nature Communications 发表年月：2023年8月 第一作者：Mark Mccauley 通讯作者：Mark Mccauley 第一单位：佛罗里达大学惠特尼海洋生物科学实验室 原文链接：https:///10.1038/s41467-023-39876-6 - 导 读 - 微生物在珊瑚等刺胞动物的生存中起着至关重要的作用。2023年8月14日，佛罗里达大学Sandra Loesgen团队的Mark Mccauley等在Nature Communications期刊发表题为“Systematic review of cnidarian microbiomes reveals insights into the structure, specificity, and fidelity of marine associations”的研究文章，对已有研究中获得的大量16S rRNA测序数据进行了标准化整合，揭示了刺胞动物微生物组的高度多样性并鉴定了其中的关键微生物，分析了对微生物组存在影响的重要因素，为理解刺胞动物微生物组的影响因素建立了框架。 - 摘 要 - 微生物对于刺胞动物的健康生长以及受胁迫后的恢复能力至关重要，探究影响刺胞动物微生物组的相关因素需要进行大量的比较研究，但不同数据集的汇总分析仍存在较大困难。本研究基于统一规范将来源于186项研究中的12010个刺胞动物微生物组进行标准化，此外还整合了3388个海绵动物，370个海水样品，以及245个人工培养的虫黄藻样品的微生物组，汇总出包含65亿读长序列的大型数据集。样品基于超变区和测序平台进行区分，以降低测序的差异性。这一系统性的整合揭示了86个与刺胞动物相关的古菌和细菌的高度多样性特征，并发现了不同亚门、深度和微生境中的关键物种。浅水域（< 30m）的软珊瑚和海葵具有高度重叠且相对丰富的微生物群落，其微生物组特征与石珊瑚和深水域的刺胞动物存在较大差异。通过V4区域，研究发现刺胞动物微生物组的物种组成、丰富度、多样性和结构主要受到宿主的系统发育地位、采样深度及海洋水体的影响，其次则是微生境和采样时间。在刺胞动物与海绵动物中，研究鉴定了在较多宿主和较广泛空间中普遍存在的微生物，以及特定的Endozoicomonas分支。本研究的结果为理解刺胞动物微生物组的影响因素建立了框架，并为评估与胁迫相关的生态失调提供了重要参考。 - 研究进展 - 珊瑚、海葵、水母等刺胞动物正面临着人类活动的巨大影响，在全球范围内，其生态系统服务价值已经下降了约50%，而且预计未来下降趋势仍将继续。刺胞动物种类的减少将显著影响栖息在其内部和周围的多种生物，可能导致包括大型无脊椎动物和鱼类在内的生物多样性下降约63%。而对于构成了刺胞动物微生物组的多种微生物，目前的研究主要集中于刺胞动物与虫黄藻（Symbiodiniaceae）的互惠共生关系，包括因缺失虫黄藻或相关色素而导致的“白化”现象等，但对刺胞动物微生物群落中的古菌、细菌、真菌、微藻、原生生物和病毒的认识仍非常有限。然而，虫黄藻之外的众多微生物在这一复杂共生关系中也起到重要作用。因此，为进一步了解刺胞动物适应气候变化的能力，增进对其微生物组的基本认识尤为重要。 随着有关物种DNA测序量的增加以及对珊瑚礁健康的日益关注，越来越多的研究发现，微生物组在珊瑚礁形成及其生态系统恢复力稳定性方面具有重要作用，包括宿主的营养物质循环、抗菌性与竞争排斥、生长发育，以及对环境变化的响应等。其中，大部分研究是针对石珊瑚（scleractinian coral）微生物组的16S rRNA扩增测序，作为造礁珊瑚的主要组成部分，珊瑚纲（Anthozoa），六放珊瑚亚纲（Hexacorallia）的石珊瑚一直是刺胞动物微生物组研究的重点对象，但对其他刺胞动物的研究已经发现了显著不同的共生关系，而由于缺乏标准化的16S rRNA取样、保存、处理和分析规范，限制了对已发表微生物组数据的整合分析。此外，在同种刺胞动物中鉴别出不同的微生物群落可能导致差异较大的结论。 除了方法标准化程度不一所导致的差异，迄今为止报道的大多数刺胞动物微生物组数据都是通过聚类（通常相似度为97%）到具体的操作分类单元（OTUs，operational taxonomic units）以获得相应数据集，其余数据则去噪声产生扩增子序列变异（ASVs，amplicon sequence variants）。因为来自于不同研究的OTUs存在本质区别，仅限于某一研究数据集的聚类对先前研究的检索存在明显不足。此外，虽然OTU与ASV各具优劣，但ASV中的去噪声步骤能够提高分析环境特异性的精度，进而使不同研究中获得的序列进行直接比较成为可能。但同样值得注意的是，生成ASVs时不同的去噪声方法与相应参数设定也可能导致所得序列的差异。 本研究中，将现有的刺胞动物16S rRNA序列（图1）整合在统一的分析框架下，从而获得了刺胞动物的微生物组系统性整合数据集，并阐明了微生物组的变化特征及影响因素。这一开放获取的数据集（https:///projects/Cnidarian_Microbiome_Database/158957）为进一步挖掘刺胞动物微生物组信息提供了宝贵资源，并且为环境变化下刺胞动物的保护提供了有力支持。研究整合了近200项已有研究中的16S rRNA序列信息，根据宿主的健康状况、采样方式、超变区和测序平台进行划分，比较了石珊瑚微生物群落的多样性、结构和丰富度之间的差异，以确定系统发育、地理位置和深度对刺胞动物微生物群落的影响。由于可能与宿主的健康及稳定性存在较大关联，研究将每个物种的所有样品中均存在的微生物群确定为“核心微生物群”。此外，研究还在3种不同的珊瑚微生境（组织、骨骼和黏液）中检测了微生物的相对丰度，并在属的级别上确定了普遍存在于不同微生境的微生物（包括Endozoicomonas），作为刺胞动物微生物群落的核心组成。  图1 全球范围内12,010个刺胞动物微生物组（16S rRNA）样品的分布示意图。 本研究生成的数据集整合了来自于16,012个样本的测序数据，其中包含6个涵盖了超变区的ASV文库，即V1-V2、V3、V4、V5-V6、V7-V8，以及V4_p（刺胞动物V4区域与海绵动物的重叠）。在刺胞动物的5个ASV文库的720,835条ASVs信息中，共鉴定出12个古菌门和74个细菌门（分别为22类和185类）的序列信息。被鉴定为细菌的697,284条ASVs信息显示， Endozoicomonadaceae科γ变形菌在珊瑚纲、箱水母纲（Cubozoa）、水螅纲（Hydrozoa）和钵水母纲（Scyphozoa）均普遍存在，而弧菌（Vibrionaceae）则普遍存在于除水螅纲外的其他3纲中，这两类细菌在其样本中的平均相对丰度最高，值得注意的是，绝大部分刺胞动物的微生物群成分均非普遍存在的种类（流行率不足1%），对其宿主微生物组相对丰度的贡献较小（图2）。变形菌（Proteobacteria）在细菌中占据优势地位（40.3%），其次是厚壁菌（Firmicutes，16.1%）和拟杆菌（Bacteroidete，8.3%）；古菌中占优势地位的为纳古菌（Nanoarchaeota，59.6%），其次为泉古菌（Crenarchaeota，22.6%）。 对于“健康”的MiSeq样本（V4_MiSeq_healthy_cnidarian文库），微生物多样性与刺胞动物系统发育、生活史阶段、共生虫黄藻、所处深度和位置显著相关。基于Illumina MiSeq V4库中鉴定出的微生物ASVs的多样性指数，刺胞动物被分为以下三大类，其一为仅包含石珊瑚目（Scleractinia）的类群，该类群具有微生物ASVs数量最多（3794）的样本，且样本的ASVs数量平均值也最高（894）；其次为包含软珊瑚目（Alcyonacea）和黑珊瑚目（Antipatharia）的类群，该类群样本中ASVs数目平均值为427，最大值为2000，其多样性指数高于刺胞动物的其他类群；最后为其他7个微生物多样性较低的刺胞动物类群，该类群的ASVs平均数目为103。在石珊瑚、软珊瑚（alcyonaceans）和菟海葵珊瑚（zoanthids）中，微生物多样性与浅水域的采样点显著相关，而在黑珊瑚中则呈现相反的相关性。与形成硬质骨骼结构的石珊瑚相比，通常形成多孔骨骼结构的石珊瑚具有更高的微生物多样性，此外，石珊瑚的黏液和骨骼中的微生物多样性通常高于组织，但在其他刺胞动物中并未发现这一微生境中微生物多样性的差异，表明石珊瑚的微生物组可能对生态位的依赖性更高。  图2 V4文库中鉴定出的刺胞动物中普遍存在的古菌和细菌的系统发育、流行度及相对丰度。  图3 刺胞动物共生微生物的ASVs丰富度稀疏图（a）、Shannon多样性指数（b）和细菌相对丰度（c） 通过对V4_MiSeq_healthy_cnidarian文库的Bray-Curtis差异指数进行分层聚类，八放珊瑚亚纲、钵水母纲和水螅纲中的物种形成了多个聚类，这些聚类通常在地理分布上存在较大差异，而与相应采样点较近的水体样本的聚类也与刺胞动物微生物组的聚类较近，这一地理差异所导致的聚类特征在广泛的空间范围和大量物种中普遍存在。在697,284条细菌ASVs信息中，仅有不足10%普遍存在于刺胞动物微生物组，其中71.1%存在于石珊瑚，7.6%存在于软珊瑚，5.3%存在于海葵。然而，不同水体中的刺胞动物微生物组具有高度特异性，93.6%的ASVs仅在单一水体中被检出，在两个以上水体中能够被检出的ASVs则不足3.6%。而在不同深度（<30m、30-150m、>150m）能够被检出的ASVs通常也特异性地只存在于相应水层，能够在不同深度中检测出的ASVs仅不足1%（图4）。在刺胞动物中普遍存在的序列有67.3%来自于石珊瑚和软珊瑚，其中石珊瑚拥有35.6%的共有序列，占其自身微生物组的2.6%，而软珊瑚拥有31.7%的共有序列，占其自身微生物组的17.5%。在石珊瑚微生物组中，86.1%的序列来自于组织样本，而黏液和骨骼中的序列信息分别为6.7%和5.4%，仅有2.4%的序列同时出现在组织与黏液样本中，同时存在于组织与骨骼中的序列则仅为1.2%，3种微生境中均存在的序列仅有0.1%。而在石珊瑚以外的刺胞动物中，共同存在于组织与黏液中的ASVs序列信息也占比相对较高。值得注意的是，在不同刺胞动物中同时存在的细菌，在不同地理区域和深度范围内也普遍存在。  图4 不同刺胞动物中普遍存在的微生物序列信息分布。 广泛存在于不同水体（a）、深度（b）和刺胞动物类群（c）中的古菌和细菌的ASVs绝对丰度；（d）在至少一种刺胞动物中鉴定出的ASV绝对丰度；（e）细菌中15个最常见属的绝对丰度。  图5 不同深度范围内刺胞动物核心微生物组的丰度与组成。 （a）不同位点组织样本中鉴定出的古菌和细菌的相对丰度；（b）不同地点全部个体中鉴定出的ASVs平均绝对丰度；（c）不同地点75%和100%的个体中鉴定出的10种最常见细菌。 本研究还在大型数据集的基础上，针对健康的刺胞动物样本建立了特定数据集以探究微生物的相对分布。结果显示，栖息于更深水层的刺胞动物具有差异较大的微生物群，而浅水层的刺胞动物（主要为软珊瑚和海葵）则通常拥有丰度更高的核心微生物组，共生的虫黄藻也显著影响刺胞动物的微生物组成。比较聚类分析表明，组织、骨骼和黏液等微生境中的微生物群存在差异，组织中最常见的微生物群包括在不同深度中均被检测到的Gplla、弧菌（Vibrio）、假交替单胞菌（Pseudoalteromonas）、交替单胞菌（Alteromonas）、假单胞菌（Pseudomonas）和丙酸杆菌（Propionibacterium），以及仅在浅水域丰度较高的鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas）、嗜糖假单胞菌（Pelomonas）和Candidatus Pelagibacter。其中，Endozoicomonas是所有刺胞动物中均普遍存在的核心微生物组成（图5），在石珊瑚等8个属的刺胞动物中均能检测出Endozoicomonas的ASVs，且与石珊瑚以外的刺胞动物共生的Endozoicomonas呈现出与地理分布的高度相关性。在全部4138条Endozoicomonas的ASVs信息中，74.3%鉴定自石珊瑚，15.8%鉴定自软珊瑚，另有3.8%来自于海葵，其中仅有2.6%共同出现于不同类群。部分Endozoicomonas的ASVs具有宿主特异性，例如仅在印度洋轴孔珊瑚（Acroporidae）中发现的Clade 2，仅在太平洋杯形珊瑚（Pocilloporidae）中发现的Clade 13，以及仅在大西洋根口水母（Rhizostomeae）中发现的Clade 14。另一方面，Clade 5、10和12则在全球刺胞动物和海绵动物中广泛存在，这类不具备宿主特异性的分支通常也出现在更多类型的微生境中。 综上所述，这项研究为理解全球范围内刺胞动物的微生物组提供了重要见解，作为极其复杂的微生物群落，本研究建立的大型数据集将有效支撑特定微生物群落的识别及其在刺胞动物共生关系中的作用与功能。同时，本研究还增强了对石珊瑚以外的刺胞动物中微生物群落的认识。面对着当前日益严重的环境胁迫，本研究对健康刺胞动物核心微生物组的分析将为阐明与响应环境变化相关的生态失调提供参考，以实现对刺胞动物及海洋生态系统的更有效保护。 引用本文： McCauley, M., Goulet, T.L., Jackson, C.R. et al. Systematic review of cnidarian microbiomes reveals insights into the structure, specificity, and fidelity of marine associations. Nat Commun 14, 4899 (2023). https:///10.1038/s41467-023-39876-6 - 通讯作者简介 -  佛罗里达大学 Mark McCauley 作者: Mark McCauley, 佛罗里达大学 所属机构： Department of Chemistry, Whitney Laboratory for Marine Bioscience, University of Florida 团队官网： http:/// 研究方向： 团队致力于微生物来源的代谢产物发掘，重点关注新型抗癌、抗菌及抗病毒物质，具体内容为 1） 基于光谱和计算手段进行天然产物结构确定； 2） 新型细胞毒性与抗感染先导药物的开发； 3） 作用模式及细胞生物学的研究。 |
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