海洋大型藻类藻际圈关键细菌物种的鉴定及其代谢互作机制解析

《Marine Life Science & Technology》：Identifying potential keystone bacterial species within the phycosphere of marine algae and unveiling their metabolic characteristics

本研究针对海洋大型藻类与藻际微生物间代谢互作机制不清的问题，通过对43种红、褐、绿藻的松散附着环境(LAE)和紧密附着环境(TAE)进行16S rRNA测序分析，结合PICRUSt2功能预测和基因组学手段，首次系统识别出假交替单胞菌属(Pseudoalteromonas)、嗜冷单胞菌属(Psychromonas)、海单胞菌属(Marinomonas)和海岸单胞菌属(Litorimonas)等关键类群，揭示其通过维生素B12合成、二甲基巯基丙内酯(DMSP)代谢、铁载体分泌等途径维持藻际微生态平衡，为藻菌互作理论创新和水产养殖应用提供新视角。

　　

在浩瀚的海洋生态系统中，大型藻类如同水下森林般构筑起重要的生态屏障，它们不仅是初级生产力的关键贡献者，更在全球碳循环和生物资源开发中扮演着不可或缼的角色。然而这些藻类并非孤立存在——其表面形成的"藻际圈"(phycosphere)中栖息着大量细菌，它们与藻类宿主在长期共演化过程中形成了错综复杂的代谢网络。以往研究多聚焦于特定藻类（如石莼属Ulva）的模型系统，而对多样化藻类共有的核心微生物组及其功能知之甚少，这种认知空白严重制约了我们对海洋生态系统的整体理解。

为破解这一难题，韩国中央大学Che Ok Jeon团队在《Marine Life Science & Technology》发表的最新研究，通过对韩国三海域43种红藻、褐藻和绿藻的藻际细菌进行多维度解析，首次绘制出跨藻类物种的核心微生物功能图谱。研究人员创新性地将藻际环境划分为松散附着(LAE)和紧密附着(TAE)两个生态位，结合海水样本对照，运用高通量测序、网络分析和基因组学等技术，揭示了藻菌互作的内在规律。

关键技术方法包括：1）基于rbcL基因的藻类物种鉴定与采样地理定位；2）LAE/TAE分层次微生物样本采集与16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序；3）β多样性分析与指示物种(IndVal)筛选；4）SparCC网络构建与PICRUSt2功能预测；5）核心菌株分离及全基因组功能注释。

细菌群落结构特征

通过16S rRNA基因测序发现，藻际环境的物种丰富度(Chao1指数：LAE 170.4±86.1, TAE 248.1±130.5)显著低于海水(355.9±256.5)，且群落结构呈现明显环境特异性。非度量多维尺度分析(NMDS)显示采样地理位置对群落的影响优于藻类 phylogeny（F=5.556, p<0.001），暗示环境因子在微生物定殖中的主导作用。

核心类群鉴定与生态网络

指示值分析识别出Pseudoalteromonas（LAE/TAE共存）、Psychromonas与Marinomonas（LAE优势）、Litorimonas（TAE特异）四大关键属。SparCC网络揭示LAE类群与TAE类群间存在显著负相关，而同类环境菌株多呈协同关系，印证了藻际微环境的生态位分化。

功能特征与代谢潜力

PICRUSt2预测显示，藻际微生物在鞭毛组装、细菌趋化性、双组分系统等环境适应相关通路上显著富集。Spearman相关性网络进一步锁定Psychromonas与磷酸转移酶系统(PTS)、Marinomonas与光合天线蛋白、Litorimonas与细菌分泌系统等功能模块的密切关联。

核心菌株代谢功能解析

基因组分析发现：1）Pseudoalteromonas RW-H-Ap-1具有29个糖苷水解酶(GH)和脱铁胺素合成能力；2）Psychromonas GE-S-Ul-11携带8个PL7藻酸盐裂解酶基因和完整B维生素合成途径；3）Marinomonas RS-M-Aa-14具备DMSP代谢基因簇(dmdBCDs)和VI型分泌系统；4）Litorimonas RW-G-Af-16拥有固氮基因簇(fixNOQPGHIS)和玉米黄质合成通路。这些特征共同构成藻菌互作的代谢基础。

研究结论强调，藻际核心菌株通过"代谢功能互补"策略共同维持微生态系统稳定——如Litorimonas独揽固氮功能，Marinomonas与Psychromonas协同提供维生素B₁₂，而DMSP代谢途径则由Litorimonas和Marinomonas分段完成。这种功能冗余与特异性并存的现象，为解释藻际微生物组在多变海洋环境中的韧性提供了新理论框架。尽管研究存在PICRUSt2预测局限性等问题，但其建立的跨物种核心微生物识别范式，无疑为海洋生态调控藻菌互作提供了精准靶点。