冷泉海绵地中共生硫/甲烷氧化菌的群落功能分化与宿主特异性互作研究

本研究针对冷泉环境中多物种海绵共生微生物群的趋同与分化机制，利用宏基因组分箱技术揭示了尽管不同海绵物种在相同化能合成环境中共享相似的硫氧化细菌(SOB)和甲烷氧化细菌(MOB)功能群，但其共生菌株却呈现显著的宿主特异性。研究人员通过对南海福尔摩沙脊冷泉六种海绵的宏基因组分析，重构出新型代谢基因组(MAGs)，发现其基因组缩减、低GC含量等适应性特征，并揭示了碳固定、硫代谢和能量代谢途径的独特配置，为理解深海化能合成生态系统中宿主-微生物共适应机制提供了重要理论依据。

　　

在幽暗的深海世界，冷泉生态系统如同沙漠中的绿洲，依靠甲烷和硫化氢等还原性物质支撑着独特的生命群落。海绵作为深海常见的底栖生物，广泛分布于冷泉和热液口周边区域。以往研究表明，这些海绵无论其食性如何，都携带着化能合成微生物（包括硫氧化细菌SOB和甲烷氧化细菌MOB），暗示它们可能利用环境中的化学物质维持生命活动。然而，当多个海绵物种在同一冷泉海绵地中共存，共享完全相同的环境和物质条件时，它们的共生微生物群落会呈现怎样的特征？是趋于高度相似，还是像多数研究显示的那样表现出宿主特异性？这个问题的答案对于理解深海共生系统的构建机制至关重要。

为了解答这一问题，研究人员对来自南海福尔摩沙脊冷泉的六种海绵（分属寻常海绵纲和同骨海绵纲，包含滤食性和肉食性物种）进行了宏基因组和分箱分析。研究发现，这些海绵的共生微生物群落主要由变形菌门（Proteobacteria）的SOB和MOB主导，其中PS1目（硫氧化细菌）和甲基球菌目（Methylococcales，甲烷氧化细菌）的相对丰度合计超过50%。尽管功能群组成高度相似，但不同海绵物种对共生微生物菌株的选择却表现出显著的宿主特异性。通过宏基因组分箱，研究人员获得了93个中等质量以上的代谢基因组（MAGs），其中包含大量新颖的SOB和MOB基因组。系统发育分析和丰度差异显示，同一海绵物种个体携带几乎相同的SOB和MOB基因型（平均核苷酸一致性ANI>95%），而不同物种间则存在明显分化（ANI<95%）。这些共生菌株不仅与已知类群相比具有潜在的新颖性，其基因组还显示出对化能合成环境和共生生活的适应性特征，如基因组缩减、低GC含量以及特异的代谢通路配置。

研究采用的主要技术方法包括：从南海福尔摩沙脊冷泉（水深1128-1208米）采集6种16个海绵样本；通过Illumina NovaSeq平台进行宏基因组测序（每样本30 GB数据）；使用MEGAHIT进行序列组装和MetaProdigal进行开放阅读框预测；采用metaBAT2、CONCOCT和MaxBin2进行分箱分析，并通过CheckM评估基因组质量；利用GTDB-Tk进行物种注释和KEGG数据库进行功能注释；采用最大似然法构建系统发育树并计算平均氨基酸一致性（AAI）。

微生物群落组成与分布特征

通过NR数据库注释显示，变形菌门在门水平上占绝对优势（75.69%-92.31%），其次为拟杆菌门、Poribacteria、弯曲杆菌门和热变形菌门。在目水平上，PS1目和甲基球菌目共同占细菌和古菌总丰度的49.64%-68.17%。尽管功能群组成相似，但物种注释结果显示仅有16.78%的微生物类群为六种海绵所共有（核心微生物群），而25.91%的类群为单一物种所特有（特化微生物群）。非度量多维尺度分析（NMDS）进一步证实了不同海绵物种微生物群落的显著分离，表明即使在同一生境中共存，海绵共生微生物仍表现出强烈的宿主特异性。

新颖且多样化的MAGs特征

研究共获得93个非冗余MAGs（89个细菌，4个古菌），涵盖11个细菌门和2个古菌门。其中62个MAGs属于变形菌门，代表33个已知目和37个已知科。值得注意的是，有3个MAGs无法归类到已知门，6个无法归类到已知科，43个无法归类到已知属，仅3个细菌MAGs能鉴定到种级水平。全基因组比较显示，仅38个MAGs与GTDB数据库中的基因组存在75-95%的ANI，其余52个MAGs的ANI低于75%，表明冷泉海绵共生微生物具有高度的新颖性和多样性。

代谢功能微生物的共生特性

研究重点关注了与氨氧化（古菌Nitrosopumilaceae）、硫氧化（ Arenicellales目和Thioglobaceae科）和甲烷氧化（甲基球菌目）相关的MAGs。丰度分析显示，每个海绵样本中都有一个主导的SOB-MAG和MOB-MAG占据其 respective 微生物群的绝对优势（平均丰度88.67%和87.96%）。肉食性海绵Euchelipluma sp. 缺乏主导MOB个体，可能与其不依赖共生甲烷氧化细菌的食性有关。AAI分析进一步证实了SOB和MOB基因型的宿主特异性分化（AAI<85%）。

SOB和MOB的系统发育与适应性进化

PS1目的系统发育分析显示，海绵共生SOB-MAGs分布于Thiodubiliella属、JAAOIF01属以及未分类的新进化支系，不局限于已知的SUP05和Arctic96BD-19分支。甲基球菌目的系统发育表明，所有MOB-MAGs都属于甲基单胞菌科（Methylomonadaceae），主要分布于MMG2分支（深海分支2）和未分类的新谱系。与自由生活菌株相比，海绵共生MOB表现出显著的基因组缩减（平均1.71 Mb vs 4.41 Mb）和低GC含量（0.39 vs 0.53）特征。

代谢功能注释与比较

KEGG注释显示，SOB和MOB的基因功能主要集中于代谢过程，特别是碳水化合物代谢、能量代谢、氨基酸代谢以及辅因子和维生素代谢。SOB缺乏己糖激酶和磷酸果糖激酶等糖酵解关键酶，且所有PS1目MAGs都缺失α-酮戊二酸脱氢酶和转醛酶，表明其为专性自养菌。碳固定主要通过卡尔文循环（CBB循环）完成，其中SOB使用依赖无机焦磷酸的6-磷酸果糖激酶（PPi-PFK）的"精简版"CBB循环，而MOB采用经典CBB循环。硫代谢方面，SOB编码硫代硫酸盐氧化酶（sox）和异化型亚硫酸盐还原酶（dsr），但缺乏黄素细胞色素c（Fcc），可能与环境中高元素硫含量有关。MOB则具有完整的同化型硫酸盐还原途径。甲烷氧化相关基因分析显示，MOB仅含有颗粒状甲烷单加氧酶（pmoCAB）和mxaD型甲醇脱氢酶，缺乏pxmABC操纵子和镧系依赖型（XoxF）甲醇脱氢酶，反映了其基因组的精简特征。

本研究系统揭示了冷泉海绵地中多物种共生微生物群的"趋同与分化"规律：化能合成环境塑造了以SOB和MOB为主导的功能群收敛，而宿主物种的差异则决定了功能群内部菌株选择的特异性。这些共生微生物通过基因组缩减、代谢通路特化等适应性进化，形成了与宿主和环境高度协同的共生体系。SOB作为专性自养菌，通过改良的CBB循环实现碳固定；MOB作为混合营养菌，利用甲烷同时从宿主获取有机营养。两者在硫代谢和能量产生方面可能存在协同作用。研究不仅发现了多个新颖的微生物类群，为深海微生物多样性提供了重要补充，还通过比较基因组学揭示了化能合成共生系统的代谢互作机制，对理解深海极端环境生物适应策略和生态系统功能具有重要科学价值。