早期发育阶段微生物群落通过调控染色质可及性和免疫系统发育塑造宿主表型

《iScience》：Microbial communities experienced during early development shape the host immune system and epigenome

本研究针对海洋热浪等环境变化导致海水温度升高和微生物群落改变的问题，开展了关于早期发育环境对紫色球海胆(Strongylocentrotus purpuratus)幼虫形态、免疫系统和表观基因组影响的研究。研究发现高微生物丰富度(HMR)环境显著增加幼虫染色质可及性，而升高温度(18°C)则广泛影响基因表达网络；两者共同作用导致幼虫体型变化并延迟免疫系统发育，揭示了环境因素通过表观遗传机制调控发育可塑性的新机制。

　　

在气候变化加剧的背景下，海洋生态系统正面临着前所未有的挑战。海水温度升高和微生物群落变化已成为影响海洋生物生存和发展的关键环境压力因素。特别是海洋热浪(Marine Heatwaves, MHWs)的频繁发生，不仅直接改变海水温度，还会引起微生物群落结构的显著变化，包括病原菌毒力增强和宿主疾病易感性增加。这些环境变化对海洋生物早期发育阶段的影响尤为值得关注，因为早期发育是生物体生命周期中最敏感的时期之一。

紫色球海胆(Strongylocentrotus purpuratus)作为海洋无脊椎动物和基础后口动物，具有分布范围广、种群数量大等特点，是研究环境适应性的理想模型生物。以往的研究多采用灭菌海水进行幼虫培养，忽略了自然环境中的微生物群落对宿主发育的潜在影响。事实上，微生物不仅参与宿主的代谢过程，还可能通过调控表观遗传机制影响宿主的发育轨迹和免疫系统功能。

针对这一科学问题，Tan等研究人员在《iScience》上发表了最新研究成果，系统探讨了温度和环境微生物含量对海胆幼虫形态、染色质状态、基因表达和免疫系统发育的联合影响。研究团队设计了一个精巧的实验方案，将胚胎培养在环境温度(14°C)或升高温度(18°C)与低微生物丰富度(Low Microbial Richness, LMR)或高微生物丰富度(High Microbial Richness, HMR)海水的组合条件下，通过多组学方法全面解析了环境因素对幼虫发育的分子调控机制。

研究采用的主要技术方法包括：通过16S rRNA测序分析微生物群落组成；利用ATAC-seq(Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high-throughput sequencing)技术检测染色质可及性；通过RNA-seq分析基因表达谱；结合形态学测量和免疫细胞计数等方法评估表型变化。所有实验均在5天后的羽腕幼虫(pluteus larvae)阶段进行，确保发育阶段的一致性。

发育温度和微生物群落塑造幼虫形态

研究人员首先通过16S rRNA测序证实了实验处理的微生物群落差异。结果显示，HMR海水具有更高的微生物丰富度、负载量和多样性，而温度对微生物多样性影响不显著。微生物群落分析发现，HMR和LMR样品中均含有高丰度的α-和γ-变形菌门，但HMR中拟杆菌门(Bacteroidia)、梭菌门(Fusobacteriia)和红嗜热菌门(Rhodothermia)的相对丰度更高。

形态学分析显示，LMR条件下培养的幼虫比HMR条件下的幼虫长35μm(18%)，体面积也显著更大。在LMR条件下，温度对幼虫体长没有影响，但在HMR条件下，18°C培养的幼虫比14°C培养的幼虫长17μm(5%)。这些结果表明微生物群落对幼虫大小的影响比海水温度更为显著。

微生物含量引起染色质状态的广泛变化，而温度改变基因表达

ATAC-seq数据分析表明，染色质可及性受环境微生物的影响远大于温度。研究人员在HMR与LMR条件下培养的幼虫中鉴定了4,816个差异可及区域(Differentially Accessible Regions, DARs)，其中97%的区域在HMR条件下更为开放。相比之下，温度仅显著影响134个染色质区域，且98%的DARs在18°C条件下呈现关闭状态。

RNA-seq结果则显示了相反的趋势：温度对基因表达的影响更为显著。在18°C与14°C比较中鉴定出5,607个差异表达基因(Differentially Expressed Genes, DEGs)，而HMR与LMR比较中仅有2,678个DEGs。主坐标分析(Principal Coordinates Analysis, PCoA)确认实验处理解释了74%的样本间变异。

温度和微生物含量诱导基因表达的广泛变化

共有1,026个基因同时对温度和微生物含量变化产生响应。基因本体(Gene Ontology, GO)分析鉴定了53个富集的GO术语，其中14个在18°C和HMR条件下均富集。这些术语主要涉及生物过程和细胞组分，包括翻译、代谢过程、核糖体和转录相关过程。

染色质可及性不能预测差异基因表达水平

研究人员通过比较ATAC-seq和RNA-seq数据集，发现染色质可及性与基因表达水平之间缺乏直接对应关系。虽然启动子区域开放的基因整体表达水平较高，但在DEGs中，启动子开放的基因表达变化反而较小。这种不一致性表明基因表达调控的复杂性，可能涉及转录后调控或时间差异等因素。

环境条件改变发育和代谢，影响幼虫生长

对发育基因调控网络(developmental Gene Regulatory Network, dGRN)基因的分析发现，在表达的177个dGRN基因中，70个受环境条件差异表达。温度影响了62个dGRn基因，其中44个在升高温度下表达更高，包括中胚层 patterning、hedgehog信号通路和骨骼生成相关基因。微生物暴露则与29个dGRN基因的差异表达相关。

代谢相关基因分析显示，43%的代谢基因(767个DEGs)表达受温度和微生物含量影响。温度差异解释了60%的代谢相关DEGs，而微生物含量影响27%。这些变化反映了不同环境条件下能量需求的差异。

微生物暴露改变免疫系统发育而不激活免疫反应

对免疫系统发育的评估显示，LMR条件下培养的幼虫比HMR条件下的幼虫有更多的色素细胞(免疫细胞)。即使校正体型后，18°C LMR幼虫的色素细胞数量仍显著少于14°C LMR幼虫。中肠上皮厚度测量发现，14°C LMR幼虫的中肠上皮比其他处理组厚16%，这可能反映了生长/发育速率的差异而非独特的免疫反应。

基因表达分析发现，234个免疫系统基因中存在差异表达，其中167个受温度影响，42个仅受微生物丰富度影响。色素细胞前体和标志物基因的表达在18°C和HMR条件下普遍降低，与观察到的色素细胞数量减少相一致。

研究结论与意义

本研究系统揭示了早期发育环境对海胆幼虫形态、表观基因组和免疫系统发育的深远影响。研究发现，高微生物丰富度环境主要通过增加染色质可及性来影响幼虫发育，而升高温度则主要通过调控基因表达网络来发挥作用。两种环境因素的共同作用导致幼虫体型变化和免疫系统发育延迟。

这一研究的重要意义在于首次全面揭示了环境微生物和温度通过不同分子机制协同调控海洋无脊椎动物发育可塑性的规律。研究结果强调了在气候变化背景下，环境因素通过表观遗传机制影响海洋生物适应性的重要性，为理解生物体如何响应快速变化的环境提供了新的视角。此外，研究发现的微生物群落对免疫系统发育的调控作用，也为水产养殖和海洋保护提供了重要的理论基础。

研究的局限性包括使用人工海水而非自然海水环境，以及采用混合样本可能掩盖组织水平差异。未来研究需要进一步探讨微生物暴露影响发育定时的关键窗口期，以及不同环境条件下幼虫对特定免疫挑战的响应差异。