大型海藻粘液碳水化合物季节性变化调控巨藻微生物组的发育阶段动态

《ISME Communications》：Seasonal and developmental stage changes in mucilage carbohydrate content shape the kelp microbiome

本研究针对营养可用性和发育阶段如何影响巨藻(Macrocystis pyrifera)微生物组组成机制这一科学问题，通过结合16S rRNA扩增子分析和碳水化合物单体分析，发现季节性和发育阶段变化显著改变了粘液碳水化合物组成（如岩藻糖、葡萄糖胺和甘露糖醛酸的摩尔百分比），并塑造了与Planctomycetota等关键菌群的特定关联。研究首次证实了碳水化合物分泌在巨藻微生物组构建中的核心作用，为理解基础物种的微生物调控机制提供了新视角。

　　

在广阔的海洋生态系统中，巨藻森林如同水下热带雨林，占据着全球三分之一的海岸线。这些基础物种不仅支撑着丰富的生物多样性，还对全球碳循环有着重要贡献。然而，随着海洋变暖等环境压力的加剧，巨藻森林正面临严重衰退的威胁。理解巨藻的健康和恢复力机制因此变得至关重要。

长期以来，研究多关注光照、营养盐、波浪扰动等环境因素对巨藻生长的影响。在像加利福尼亚这样的温带沿海地区，季节性硝酸盐可用性显著塑造着巨藻的生理状态。夏季和秋季的低硝酸盐浓度（NO₃^- < 1μM）导致组织碳氮比升高，当组织氮含量低于干质量的1%时，巨藻的生存甚至可能受到威胁。与这些非生物因素相比，我们对巨藻微生物组如何影响其生长和恢复力的了解仍较有限，尽管越来越多的证据表明微生物可能在巨藻健康、抗病和抗草食性中扮演关键角色。

研究表明，巨藻拥有一个与周围海水截然不同的微生物组，基因组分析提示了巨藻与特定微生物谱系（如Planctomycetota）之间可能存在积极的互作，例如抗菌防御或维生素获取。环境条件（如温度、营养盐）、巨藻生理状态与其微生物组组成之间存在显著关联，然而，连接巨藻生理学与微生物组组成的潜在机制尚不明确。先前研究暗示，渗出物成分、环境扰动或二者间的相互作用可能至关重要。

本研究旨在揭示巨藻粘液成分如何塑造其微生物组。研究人员假设，非生物因素（硝酸盐可用性）和发育阶段会改变巨藻粘液的化学成分，而这些改变的化学特征将进一步塑造巨藻微生物组。为此，他们对标记的巨藻叶状体群体进行了追踪采样，跨越不同的发育阶段，并在硝酸盐耗尽的温暖夏季和硝酸盐充足的春季上升流期进行了对比。通过同步测量粘液碳水化合物组成和进行16S rRNA基因分析，研究团队成功识别了微生物与粘液成分之间的关联。

关键技术方法

研究在加州圣巴巴拉海峡的Mohawk Reef进行，分别于2023年夏季和2024年春季采样。对标记的巨藻叶状体进行定期采样，测量组织氮含量、渗出物碳水化合物组成和微生物组。通过室内孵育实验收集溶解有机碳(DOC)和可水解碳水化合物样品。碳水化合物成分采用高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测法(HPAEC-PAD)分析。微生物组DNA通过棉签刮取藻体表面获得，针对16S rRNA基因V4区进行扩增子测序，并使用DADA2流程处理数据。此外，研究还从巨藻表面分离培养了一株Planctomycetota细菌（Rhodopirellula sp.），并进行了全基因组测序、系统基因组分析以及在不同模型碳水化合物（如岩藻糖苷、藻酸盐和N-乙酰葡萄糖胺）上的生长实验。

季节性营养可用性和发育阶段塑造巨藻生理

研究揭示了季节性氮可用性和年龄相关衰老共同驱动着巨藻的生理变化。在春季，由于沿海上升流带来的营养补充，成熟巨藻的组织氮含量（2.6±0.14%）显著高于夏季氮耗尽时期（0.92±0.08%）。当叶状体年龄超过约50天时，巨藻进入衰老阶段，其组织氮含量下降，并且释放的粘液成分发生显著改变。

粘液碳水化合物组成的季节性和发育阶段变化

可水解碳水化合物平均占巨藻产生溶解有机碳(DOC)的10.3±4.9%。主成分分析显示，巨藻粘液的碳水化合物糖成分在成熟和衰老发育阶段之间以及季节之间均存在显著差异。这种差异主要由岩藻糖(Fucose)和甘露糖醛酸(Mannuronic acid, Man-URA)的摩尔百分比变化所驱动。在成熟期，岩藻糖是粘液中最主要的糖（平均占47%），而在衰老期，甘露糖醛酸的比例大幅上升（从5%增至33%）。此外，春季成熟巨藻粘液中葡萄糖胺(Glucosamine)的摩尔百分比（13%）显著高于夏季（3%）。

微生物-碳水化合物动态

随着粘液碳水化合物组成的改变，巨藻微生物组的组成也呈现出显著差异。微生物的香农多样性(Shannon diversity)随着年龄增长而增加，且在春季年轻巨藻上的初始多样性低于夏季。多元分析表明，微生物组组成在季节和发育阶段间均存在显著差异，并且存在显著的交互作用。在家族水平上，衰老的巨藻组织上Flavobacteriaceae、Arenicellaceae和Rhodobacteraceae的相对丰度显著增加，而Granulosicoccaceae、Pirellulaceae和Hyphomonadaceae的相对丰度则显著降低。

通过层次聚类分析44个丰富且常见的扩增子序列变异(ASV)与粘液糖摩尔百分比之间的斯皮尔曼秩相关系数，研究发现17个ASV与至少一种糖的摩尔百分比存在显著相关性。这些ASV主要分为两个簇（Cluster A和Cluster B）。Cluster A（主要包括Planctomycetota门的Pirellulaceae科和Pseudomonadota门的Granulosicoccaceae科的成员）的相对丰度与富含岩藻糖和/或葡萄糖胺的粘液呈正相关，与富含甘露糖醛酸的粘液呈负相关。而Cluster B（包括Flavobacteriaceae、Cellvibrionaceae等科的成员）则表现出相反的模式，其相对丰度与富含甘露糖醛酸的粘液呈正相关，与富含岩藻糖和/或葡萄糖胺的粘液呈负相关。

Planctomycetota在模型碳水化合物上的生长

为了验证上述相关性，研究人员从巨藻表面分离培养了一株属于Planctomycetota门Pirellulaceae科的Rhodopirellula sp.菌株。生长实验表明，该分离株能够在N-乙酰葡萄糖胺(NAGA)和纯化的岩藻糖苷(Fucoidan)上生长，但不能利用藻酸盐(Alginate)。系统基因组分析和碳水化合物活性酶(CAZy)预测显示，Pirellulaceae科菌株的基因组中普遍含有与岩藻糖苷代谢相关的糖苷水解酶(GH29, GH95, GH141, GH168)，但只有部分菌株含有藻酸盐裂解酶(PL6或PL7)，且均不含有将寡聚藻酸盐降解为单体的寡聚藻酸盐裂解酶(PL15或PL17)。此外，AntiSMASH分析预测该分离株可能产生多种次级代谢产物，包括萜类、非核糖体肽和聚酮化合物，以及一种潜在的杀藻化合物3,5-二溴-p-茴香酸。

研究结论与意义

本研究系统地揭示了营养可用性和发育阶段通过改变巨藻粘液碳水化合物组成，进而塑造其附生微生物组的动态过程。研究结果表明，岩藻糖（来源于岩藻糖苷）在成熟期巨藻粘液中占主导地位，可能通过干扰潜在病原体的生物膜形成起到防御作用，并富集了如Planctomycetota这类被认为有益的微生物。葡萄糖胺在营养充足条件下分泌增加，可能为有益微生物提供碳氮源。而在衰老期，藻酸盐（以甘露糖醛酸为指标）的释放增加，招募了能够降解藻酸盐的细菌（如Flavobacteriaceae和Gammaproteobacteria），这可能启动了组织的降解过程。

对Planctomycetota分离株（Rhodopirellula sp.）的研究证实了其碳水化合物底物偏好（可利用岩藻糖苷和N-乙酰葡萄糖胺，但不能利用藻酸盐）与野外观察到的丰度模式一致，为微生物-碳水化合物关联提供了机制性证据。这种碳水化合物-微生物协同作用与植物根际、珊瑚和人类肠道中的观察相似，表明这可能是一种保守的生态策略。

这项发表在《ISME Communications》上的工作首次将巨藻粘液化学与微生物组动力学直接联系起来，强调了宿主生理状态（受环境和发育阶段调控）在通过代谢物分泌管理其微生物伙伴中的核心作用。这些发现对于理解基础物种的健康和恢复力、预测气候变化下的生态系统响应，以及指导巨藻森林的修复和管理具有深远意义。未来研究可以进一步探究特定碳水化合物（如岩藻糖苷）和微生物代谢产物（如Planctomycetota产生的次级代谢物）在调控藻菌互作中的具体分子机制。