红海海绵微生物组的高通量16S测序解析：揭示极端环境下的共生功能与生态适应性

《AMB Express》：The microbiome of marine sponges located on the Saudi Arabia coast of the Red sea using high-throughput 16S amplicon sequencing

本研究针对红海高盐高温极端环境下海绵共生微生物群的组成与功能未知问题，通过高通量16S rRNA扩增子测序技术，系统分析了沙特红海沿岸海绵的微生物多样性及代谢潜能。研究发现其微生物群落以α-和γ-变形菌纲为主导，富含氮固定、有机物降解及抗菌化合物合成相关类群，功能预测显示其显著参与营养循环和宿主适应性调控。该研究为极端环境微生物资源开发及海绵-微生物共生机制研究提供了重要理论依据。

　　

在广阔的海洋生态系统中，海绵（Porifera）作为古老的滤食性生物，不仅构建了珊瑚礁的三维结构，更是海洋微生物的“移动酒店”。它们与体内庞大的微生物群落形成了稳定的共生关系，这些微生物参与宿主的营养供给、抗病防御及环境适应，尤其在碳、氮等元素循环中扮演关键角色。然而，在红海这类以高盐度（可达42 PSU）、高温（季节波动达12°C）和强紫外线为特征的极端环境中，海绵与其共生微生物的互作机制仍属未知。红海作为全球重要的生物多样性热点，其独特的水文条件可能孕育出特殊的微生物类群和功能通路，但相关研究仍处于起步阶段。

为揭示红海海绵微生物组的组成与功能特征，沙特阿拉伯吉达大学的研究团队在《AMB Express》发表了题为“The microbiome of marine sponges located on the Saudi Arabia coast of the Red sea using high-throughput 16S amplicon sequencing”的研究。该工作通过高通量16S rRNA基因测序技术，对红海沿岸7个海绵样本的微生物群落进行解析，并结合PICRUSt2功能预测工具，深入挖掘了其代谢潜能与生态意义。

关键技术方法概述

研究团队通过SCUBA潜水在红海沙特沿岸3–12米深度采集海绵样本，使用PureLink Microbiome DNA Purification Kit提取DNA，针对16S rRNA基因V4区设计引物515F/806R进行扩增，Illumina平台测序后经Cutadapt和FLASH进行质控与序列拼接。OTU（Operational Taxonomic Units）聚类以97%相似度为阈值，利用QIIME进行α/β多样性分析，并通过PICRUSt2预测KEGG、COG及MetaCyc数据库的功能通路。

研究结果

16S rRNA数据质量与微生物多样性

测序共获得383,449条高质量序列，聚类为3,792个OTU。各样本OTU数量差异显著（289–1,045），其中深水样本SM7多样性最高（Shannon指数=3.51），而浅水 lagoon 样本SM5多样性最低（Shannon指数=2.14）。

物种累积曲线表明测序深度充足，Good’s覆盖率均高于99.6%。

taxonomic 组成与核心微生物群

群落以Pseudomonadota（35–48%）、Bacteroidota（15–28%）和Actinobacteriota（8–22%）为主。属水平上，Roseobacter（Roseobacteraceae科）占比最高（8–15%），其次为Pseudomonas（4–12%）和Flavobacterium（3–8%）。核心微生物组分析发现127个OTU存在于所有样本中，占总序列丰度的45%，主要为硫氧化和有机质降解相关类群。

β多样性揭示环境驱动因素

PCA分析显示样本按深度和生境聚类，PC1（42%方差）主要受Pseudomonadota与Bacteroidota丰度差异驱动，PC2（26%方差）反映Actinobacteriota与Bacillota变化。温度与溶解无机磷分别解释38%和18%的群落变异，表明环境因子是塑造微生物结构的关键。

功能预测揭示代谢特异性

PICRUSt2预测到328条KEGG通路，其中碳水化合物代谢（18%）、氨基酸代谢（14%）和能量代谢（12%）最为富集。红海海绵微生物组显著增强硫代谢通路（如亚硫酸盐氧化酶），这可能补偿寡营养环境中光能合成的不足。CAZyme（碳水化合物活性酶）分析显示糖苷水解酶（GH）占比最高（38%），提示其对海绵衍生多糖的降解潜力。

讨论与结论

本研究首次系统揭示红海海绵微生物组在极端环境下的适应策略：①核心类群（如Roseobacteraceae）通过硫氧化和DMSP（二甲基硫丙酸）代谢维持能量供给；②Cytophagales等类群通过丰富的CAZyme系统降解海绵多糖，支持宿主营养循环；③检测到陆源细菌Mitsuokella multiacida，暗示海绵体内存在厌氧微区。与温带海绵相比，红海群落展现出更高的热稳定性（30°C下核心类群仍稳定），但其浅水样本中Vibrio（弧菌属）的富集可能预示热胁迫风险。

该研究为海绵-微生物共生机制在极端环境下的演化提供了新视角，同时强调了红海微生物资源在生物技术（如新型酶制剂、抗菌药物开发）方面的潜力。未来需结合宏基因组/宏转录组验证功能预测，并通过扩大采样揭示季节动态与宿主特异性影响。