热胁迫下红珊瑚Spirochaetota共生菌功能稳定性研究揭示地中海八放珊瑚耐热新机制

《Environmental Microbiome》：Functional stability of Spirochaetota symbionts in the precious octocoral Corallium rubrum under heat stress

本研究针对地中海八放珊瑚因海洋热浪导致的共生微生物紊乱问题，通过宏转录组学技术分析了珍贵红珊瑚Corallium rubrum在24°C热胁迫下其Spirochaetota共生菌的功能响应。研究发现尽管热胁迫显著改变了机会致病菌的代谢活性，但核心共生菌Spirochaetota仍能维持必需氨基酸和维生素合成功能，揭示了珊瑚耐热性与共生菌功能稳定性的内在关联，为珊瑚礁保护提供了新的理论依据。

　　

在地中海蔚蓝的海水中，八放珊瑚如同海底的工程师，构建着维系海洋生物多样性的三维生态系统。然而近年来，频繁的海洋热浪（Marine Heat Waves, MHWs）导致海水温度异常升高4-5°C，使这些珊瑚面临大规模死亡威胁。温度升高会破坏珊瑚与共生微生物的平衡，促使机会致病菌增殖并引发组织降解性疾病。尽管温度升高对微生物群落组成的影响已有较多研究，但细菌共生体的功能响应机制仍是未解之谜。

为解决这一科学问题，摩纳哥科学中心的Gervais等研究人员以地中海特有珍贵红珊瑚Corallium rubrum为模型，聚焦其独特的Spirochaetota共生系统，开展了首项针对温带八放珊瑚的宏转录组学研究。该研究通过比较15°C正常温度与24°C热胁迫条件下珊瑚微生物组的基因表达差异，揭示了共生菌功能稳定性与珊瑚耐热性的内在联系。研究成果发表于《Environmental Microbiome》，为理解珊瑚-微生物共生体应对气候变化的机制提供了新视角。

研究团队采用宏转录组学技术路线，首先对珊瑚样本进行总RNA提取，通过特异性探针去除真核生物mRNA和核糖体RNA，富集细菌mRNA。利用Illumina NovaSeq6000平台进行双端测序，经过严格质控后，使用kaiju和mmseqs2进行物种注释，通过eggNOG-mapper进行功能注释，并采用DESeq2进行差异表达分析。实验样本来自法国维尔弗朗什海域60米深度的野生珊瑚群体，在严格控制的水族箱系统中进行14天热胁迫处理。

活跃细菌群落的温度响应

在正常条件下（15°C），珊瑚组织中转录活跃的细菌主要为Pseudomonadota（50%）、Bacteroidota（25%）和Bacillota（9%）。热胁迫（24°C）导致细菌群落结构发生显著改变（PERMANOVA, p=0.029），其中Alphaproteobacteria纲的Rhodobacterales目相对丰度显著上升，而Spirochaetota门虽从3.6%降至1.3%，但变化不显著（q-value=0.37）。值得注意的是，基于编码序列（CDS）的分析显示，Spirochaetota表达了790±53个独特功能基因，数量仅次于Pseudomonadota，表明其在珊瑚共生系统中具有重要的代谢功能。

Spirochaetota和Bacteroidota的营养功能

代谢通路完整性分析显示，Spirochaetota参与了多种必需氨基酸的生物合成，包括缬氨酸、异亮氨酸、苏氨酸和丝氨酸（完整度100%），以及色氨酸和赖氨酸（87.5%）。同时，该菌还表达了维生素B₁₂（33.33%）、B₅（25%）、B₆（16.67%）等辅因子合成相关基因。Bacteroidota则主要参与B₁（66.67%）、B₂（25%）、K₂（22.22%）等维生素合成途径。这些功能弥补了珊瑚宿主自身无法合成必需营养素的缺陷，体现了共生菌的营养互补作用。

差异表达基因的功能特征

热胁迫共触发3053个差异表达基因（DEGs），其中Pseudomonadota门占比最高（2581个）。功能注释显示，这些基因主要涉及核糖体生物合成（327个DEGs）、能量代谢（285个）和氨基酸转运（243个）等通路。Gammaproteobacteria纲（除Vibrionales外）的基因表达普遍下调，而Alphaproteobacteria纲的机会致病菌（如Rhodobacterales）活性显著增强。特别值得注意的是，与硫循环相关的基因表达发生显著改变，表明该代谢途径在热胁迫响应中起关键作用。

病原菌与抗性基因表达

研究发现Vibrionales菌群的鞭毛生物合成相关毒力因子基因（VFGs）在热胁迫下显著上调，包括Ⅲ型分泌系统相关基因。同时，细菌抗菌抗性基因（ARGs）表达量未发生显著变化，其中Spirochaetota在两种温度条件下均表达了rpoB（利福平抗性）基因。这提示热胁迫可能增强某些机会致病菌的侵染能力，但对整体抗性基因库影响有限。

本研究通过宏转录组学分析揭示了珊瑚微生物组对热胁迫的层级响应机制：核心共生菌Spirochaetota通过维持必需氨基酸和维生素合成功能稳定性，并采用核糖体休眠策略减少能量消耗，从而保障珊瑚基础代谢需求；而机会致病菌（如Vibrionales）则通过上调毒力因子表达加剧珊瑚健康风险。这种功能分工的差异性响应，解释了为何在共生菌数量保持稳定的情况下，珊瑚仍可能因微生物功能紊乱而死亡。该研究首次从功能层面阐明了地中海八放珊瑚的耐热机制，为珊瑚礁生态系统的保护策略提供了新的理论基础。未来研究可结合宏基因组学与细菌分离培养技术，进一步验证共生菌的功能贡献及其在珊瑚适应气候变化中的具体作用。