科研 | Nature Communications：海洋酸化过程中海绵微生物组代谢潜能的变化 / 四六文摘

编译：Frank，编辑：十九、江舜尧。

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导读

人为二氧化碳的排放导致海洋酸化，可以影响到海洋生物的生理机能。目前已经发现海洋酸化改变了原有微生物群落的组成，但共生群落对代谢潜能的影响目前尚不清楚。作者利用宏基因组分析在浅火山CO₂渗透点和附近礁对照点的两种海绵物种的微生物群，以评估海洋酸化对海绵共生体代谢潜能的影响。研究发现，CO₂渗透点Stylissa flabelliformis的微生物群利用外源性碳水化合物和氨基酸的潜能降低，以及宿主源性肌酸、肌酐和牛磺酸的降解。Coelocarteria singaporensis的微生物群对碳水化合物的摄取可能性降低，但古菌通过3-羟基丙酸酯/4-羟基丁酸酯途径的固碳能力、古菌和细菌产生尿素和氨同化能力增强。这些代谢特征有助于增强海绵共生体，并且可能是它们宿主耐受海洋酸化的原因。

论文ID

原名：Changes in the metabolic potential of the sponge microbiome under ocean acidification

译名：海洋酸化过程中海绵微生物组代谢潜能的变化

期刊：Nature Communications

IF：11.878

发表时间：2019年9月

通信作者：Nicole S. Webster

通信作者单位：澳大利亚海洋科学研究所；澳大利亚昆士兰大学生态基因组学中心

实验设计

1. 样本采集

于2014年3月在巴布亚新几内亚米尔恩湾省收集样本。所有样本均一式三份，组织样本一部分保存在70％乙醇中用于物种鉴定，剩余组织快速冷冻用于微生物富集和宏基因组分析。海水样品依次通过5 μm和0.22 μm过滤器过滤，储存于-20℃直至处理。

2. 样本处理和测序

样本预处理：将组织样本切成小块后用均质器进行均化，使用无菌细胞过滤器过滤，反复低温离心，缓冲液洗涤重悬后获取微生物浓缩沉淀物，保存于无菌管。

DNA提取试剂盒：UltraClean kit (MO BIO, San Diego, USA)。

DNA纯化试剂盒：ZymoResearch (Irvine, California,USA)。

DNA质量和浓度检测：Nanodrop和Qubit。

文库制备试剂盒： Nextera XT。

测序平台：Illumina MiSeq。

3. 宏基因组组装及分类

使用Prinseq对原始读段进行质量过滤，使用IDBA-UD组装读段。使用Bowtie2 将读段映射回装配体，以评估组装质量并获得覆盖率信息。原始数据已提交NCBI，SRA登记号SRP159543。使用GraftM将宏基因组组装中提取的16S rRNA亚基基因分类。

4. 功能注释

COG和KOs的分析分三个阶段进行：（i）对于每个物种，在位点之间显着不同的KOs聚类在热图中，COG使用相同的方法进行注释。（ii）将显着富集的KO分配到KEGG途径，以鉴定每个物种的30种最丰富的途径。由于非显着差异可能具有生物学意义，因此对于每个位点，将分配到KEGG途径的所有KOs的平均相对丰度相加，保留总相对丰度超过1％的途径。（ⅲ）将KEGG直系列表与每个物种的IMG衍生KO列表进行比较。使用MetaCyc数据库手动检查感兴趣的途径和相关文献。

5. 生物数据的统计分析

为分类单元和基因数据集生成稀疏曲线，以评估样品之间的覆盖差异和质量控制。使用R package Vegan为基因（KOs）生成Bray-Curtis相似性矩阵。使用层次聚类以及PERMANOVA + for Primer软件包的主要坐标分析来显示样本之间的变化。使用负二项式广义线性模型对分类群和基因的计数进行建模。ANOVA用于检验条件的显着性，使用错误发现率调整p值以进行多次检验。调整的p值<0.05用于选择在对照组和渗透环境之间丰度不同的分类群和基因。

6. 微生物与环境变量相关的功能

为了确定环境变量在采样点之间样本差异中的作用，使用原理坐标（CAP）的规范分析，针对KOs的平均Bray-Curtis矩阵评估来自21个环境参数的平均值。

结果

1. 微生物组概述

宏基因组测序结果表明，这两种海绵物种的微生物群落彼此不同与周围的海水群落也存在差异。C. singaporensis微生物群以变形菌门，绿弯菌门和奇古菌门为主，而S. flabelliformis微生物群主要是由变形菌门和奇古菌门组成。两个物种在功能水平上也存在差异，C.songaporensis和S. flabelliformis微生物群中分别有20％和80％显着富集的基因在渗透样点中更丰富（图1a）。根据COG注释，CO₂渗透样点C. singaporensis和S. flabelliformis富集基因的总相对丰度分别为的 68和19％（图1b），相反，在对照样点富集的基因总相对丰度分别为65％和34％。环境变量相对于KO排序的相关向量表明，功能概况主要受与无机碳化学相关的因素影响。

图1. 在CO₂渗透和对照样点的C. singaporensis和S. flabelliformis中的功能基因概述。a.所有显着富集基因（KOs）热图。b.在对照或渗透样点显着富集基因COG注释图。c.每种物种的显着富集基因KEGG富集的30个途径。

2. 碳和宿主衍生化合物的转运

在CO₂渗透点，两种海绵物种微生物群最丰富的功能与ABC转运蛋白有关（图1c，图2）。C.singaporensis和S. flabelliformis的微生物群在渗透样点吸收碳水化合物的可能性降低，表明微生物群落从外部能源和碳获取的能量低于对照取样点。C.singaporensis微生物群编码D-木糖ABC转入蛋白、核糖、多糖、α-1,4-digalactorunate、阿拉伯糖、乳糖/ L-阿拉伯糖、棉子糖/水苏糖、鼠李糖和Sn-甘油-3-磷酸等基因下调表达。在CO₂渗透样点S. flabelliformis微生物群中ABC转运蛋白基因相对丰度显着降低，它参与葡萄糖/甘露糖、多糖、Sn-甘油-3-磷酸、海藻糖和渗透保护剂甘油的转入。S. flabelliformis微生物群对几种氨基酸和其他可作为能源的化合物吸收能力也降低。在CO₂渗透样点，C. singaporensis和S. flabelliformis的微生物群落似乎具有不利用外源有机化合物进行能量生产和生物合成的能力。表明海绵宿主可能从滤食和从头生物合成中保留碳水化合物和氨基酸，而不是将它们提供给共生体。

图2. CO₂渗出样点中微生物基因影响C. singaporensis和S. flabelliformis对外源化合物的摄取。热图显示编码ABC转运蛋白的基因受取样点的显着影响。

3. 碳固定和碳酸酐酶

与对照组相比CO₂渗透样点的碳酸氢根离子浓度显著更高。在CO₂渗透点的C.sepaporensis中发现了利用奇古菌门的HP/HB循环进行固碳的能力增加，为微生物群适应CO₂渗透环境提供了可能。

在CO₂渗透点样本中发现了编码HP/HB循环关键酶的基因相对丰度上调2-4倍，包括丙二酸半醛还原酶、3-羟基丙酰辅酶A合成酶、3-羟基丙酰辅酶A脱水酶、4-羟基丁酰基 - CoA合成酶、4-羟基丁酰基-CoA脱水酶和3-羟基丁酰基-CoA脱氢酶（图3a），这些基因几乎都注释到奇古菌门亚硝化侏儒菌属。这些研究结果表明，CO₂渗透点中较高的HCO₃^-浓度可能有利于奇古菌门在C. singa porensis微生物群中的能量自养。编码碳酸酐酶的两个基因相对丰度降低也标志C. singaporensis可以适应高浓度碳酸氢盐环境，这两个基因主要在蓝细菌、变形菌和放线菌中注释到。结果表明，CO₂渗透点中碳酸氢盐浓度的增加可能降低缺乏碳酸酐酶的微生物的选择压力。

图3. 微生物代谢途径与碳，氮和硫代谢有关。a. 通过HP / HB循环进行碳固定。b/c. 氮化合物的降解和利用。d.牛磺酸降解后的硫化物同化作用。

4. 氮代谢

海洋酸化对两物种微生物群中的氮循环基因都有很大的影响，有利于肌酸和脲酶在C. singaporensis中降解，并导致S. flabelliformis利用含氮化合物能力降低（图3b，c）。海绵可以产生肌酸和肌酸酐以促进共生古菌的碳和氮代谢。然而，编码一系列参与肌酸酐降解酶的基因在两个物种中较少。在C. singaporensis的微生物群中，这些基因编码（i）胞嘧啶脱氨酶，其通过释放氨分子将肌酸酐水解成N-甲基乙内酰脲，（ii）N-甲基乙内酰脲酶的两个亚基，其利用ATP分子将N-甲基乙内酰脲水解成N-氨基甲酰肌氨酸，（iii）N-氨基甲酰肌氨酸氧化酶，其将N-氨基甲酰肌氨酸脱氨基成肌氨酸并释放第二分子氨（图3b）。在S. flabelliformis微生物群中，编码N-甲基乙内酰脲酶亚基的基因也显着较少（图3b）。同时，C. singaporensis共生体在CO₂渗透点肌酸降解的可能性更大，编码肌酸酶基因的相对丰度上调5倍，可以产生尿素和肌氨酸。但是编码所有脲酶亚基和辅助蛋白的基因上调2倍，可以不利用ATP而释放两个氨分子和一分子的CO₂。因此，C.singaporensis可能优先将肌酸转移到共生体过度肌酸酐。进一步证明作者的发现，即能量守恒是酸化海洋中海绵—微生物共生的重要特征。

相比之下，CO₂渗透点S.flabelliformis微生物群肌酸和尿素降解以及谷氨酰胺和谷氨酸生物合成的可能性降低，编码肌酸酶、谷氨酰胺合成酶、脲酶亚基和辅助蛋白的基因减少，它们可以将一分子氨、谷氨酸和ATP转化为谷氨酰胺和谷氨酸合酶，从而产生谷氨酸（图3c）。因此，在CO₂渗透样点S.flabelliformis共生体从宿主衍生的肌酸和肌酸酐促进氮代谢而受益的能力似乎被降低，但氮代谢能力的降低可能有助于S. flflabelliformis对酸化海水形成敏感性。

古细菌在海水酸化的微生物群中具有核心作用。除C. singaporensis中的脲酶亚基主要注释到古菌中，此外的酸降解基因注释到两个海绵物种共生体的细菌中。发现了负责将胍丁胺转化为尿素和腐胺的鲱精胺酶编码基因丰度显著上调，因此通过胍丁胺降解可以反应出渗透样点C. singaporensis微生物群中古菌群具有更强的产生尿素潜力（图3b）。在精氨酸脱羧酶产生胍丁胺过程中，作者发现了两种编码基因：speA（K01585），主要在细菌中注释到并且在所有样点是一致的；pdaD（K02626），主要在古菌中注释到并且在CO₂渗透样点丰度更高。此外，在CO₂渗透样点中发现编码氨单加氧酶的基因相对丰度增加3倍，并且该基因簇主要注释到奇古菌门。它可以为C. singaporensis的微生物群落提供同化作用，这与在CO₂渗透样点中编码谷氨酰胺合成酶的基因显着增加一致。

这些结果一起表明，通过尿素产氨的过程，在对照取样点是由细菌主导的肌酸酐代谢完成，而在CO₂渗透样点，是由古细菌主导的精氨酸代谢和C. singaporensis微生物群中细菌主导的高效能的肌酸分解代谢完成。

5. 硫代谢

海洋酸化对S. flabelliformis中牛磺酸异化和硫同化的代谢潜力产生负面影响，这可能表明酸化海水中牛磺酸受体数量减少。对CO₂渗透敏感的微生物群在牛磺酸降解途径中编码三种酶的基因相对丰度显着降低，分别是牛磺酸丙酮酸氨基转移酶（将牛磺酸降解为磺基乙醛和L-丙氨酸），磺基乙醛乙酰转移酶（可以产生亚硫酸盐和醋酸盐）和cysI（将亚硫酸盐转化为硫化物）（图3d）。伯克霍尔德氏菌目和海洋螺菌目是注释到磺基乙醛乙酰转移酶较低的典型菌目，这似乎是磺基乙醛乙酰转移酶基因相对丰度下降的主要原因。

CO₂渗透样点S. flabelliformis微生物群也表现出较低的硫同化潜力，因为将L-高丝氨酸转化为L-高半胱氨酸的两条途径的基因显着下调（图3c），即高丝氨酸O-琥珀酰基转移酶（metA），胱硫醚-β-裂解酶（metC）和O-琥珀酰-高丝氨酸硫酸化酶（metZ），分别有1.9倍，1.6倍和1.5倍的变化（图3c）。伯克霍尔德氏菌目，甲基球菌目，海洋螺菌目和着色菌目都可能参与这些途径。因此，海洋酸化降低了S. flabelliformis微生物群使用牛磺酸生成硫化物并随后将其同化为生物质的可能性。无论是由pH诱导的牛磺酸受体减少还是通过减少微生物异化，这种降低的硫代谢能力都可能使S.flabelliformis在酸化水中受到不良影响。

图4. C.singaporensis（紫色表示）和S. flabelliformis（橙色表示）的微生物群受CO₂渗透影响的功能总结示意图

结论

海绵物种中高效能碳/氮代谢的潜能增强，对海洋酸化敏感的物种的功能普遍丧失（图4）。宿主代谢适应是海洋酸化条件下海绵的应激反应，这是CO₂渗出样点无脊椎动物物种的存活机制。然而，微生物进化的速度快，群落重组和共生体间的垂直传播也可以促进微生物群介导的适应。多细胞生物可以通过改变不同生物过程的能量分配来维持海洋酸化条件下的稳态。值得注意的是，类似的补偿机制也可能在微生物上发生，海洋酸化耐受物种的微生物群富含高效能途径，可以根据需要利用其他地方多余的能量。鉴于微生物在宿主健康中发挥的关键作用，微生物群的代谢适应也可以用来耐受未来海洋酸化。

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