印度洋中脊两种热液区柄蔓足类Neolepas marisindica共生微生物群落差异及其环境驱动机制研究

《Scientific Reports》：Comparison of microbial assemblages associated with the stalked barnacle Neolepas marisindica from two adjacent hydrothermal vent fields on the Central Indian Ridge

本研究针对印度洋中脊相邻热液区（Solitaire与Onnuri）特有柄蔓足类Neolepas marisindica的共生微生物群落组成与差异展开。通过16S rRNA扩增子测序和PICRUSt2功能预测分析，发现尽管两地微生物群落均以变形菌门（Proteobacteria）为主，但Site D富含甲烷氧化菌（Methylobacter、Methylomicrobium），Site A则以硫氧化菌（Thiotrichaceae）占优。功能预测显示Site D菌群氧化磷酸化、细胞运动等相关通路显著富集。该研究揭示了热液区地理化学差异对宿主共生微生物群落结构及功能潜能的塑造作用，为深海极端环境生物适应机制提供了新见解。

　　

在黑暗的深海世界，热液喷口如同沙漠中的绿洲，依靠化学合成作用支撑着独特的生态系统。这些喷口不断喷涌出富含硫化氢(H₂S)、甲烷(CH₄)等还原性物质的炽热流体，与周围海水混合后形成特殊的化能合成环境。其中，微生物作为初级生产者，通过氧化这些还原性物质获取能量，构建起整个生态系统的营养基础。然而，尽管人们对热液环境中的自由生活微生物已有较多了解，但对于附着在热液生物体上的共生微生物群落的研究仍相对有限，特别是对于印度洋中脊这类偏远海域的生物。

印度洋中脊分布着多个热液区，其中Solitaire（站点A）和Onnuri（站点D）是两个地理相邻但地球化学特征可能存在差异的区域。栖息于此的柄蔓足类Neolepas marisindica是该区域的特色物种，它们固着在海底，无法移动，其体表或体内可能栖息着与周围环境相适应的微生物群落。由于它们终生固着于一地，其共生微生物群落可能忠实地反映了当地的地球化学条件，是研究环境对共生微生物影响的理想模型。

为了探究不同热液区地球化学条件如何影响柄蔓足类共生微生物的组成和功能，韩国海洋科学技术院的Jae Kyu Lim等研究人员开展了本研究。他们从印度洋中脊的Solitaire（站点A）和Onnuri（站点D）两个热液区分别采集了Neolepas marisindica标本（每个站点3个个体），通过16S rRNA基因扩增子测序分析了其共生微生物的群落结构，并利用PICRUSt2对群落的功能潜能进行了预测。研究成果发表在《Scientific Reports》上。

主要技术方法包括：2018年6月使用液压抓斗从印度洋中脊Solitaire（19°33.3950'S，65°50.8892'E；深度2634米）和Onnuri（11°24.8828'S，66°25.4248'E；深度2022米）热液区采集柄蔓足类Neolepas marisindica样本；使用Illumina MiSeq平台对微生物16S rRNA基因V3-V4区进行测序；使用CD-HIT-OTU以97%相似度进行OTU（操作分类单元）聚类；使用QIIME进行α和β多样性分析；使用PICRUSt2进行功能预测；使用LEfSe（线性判别分析效应大小）识别差异功能通路。

微生物群落多样性分析

研究人员首先通过α多样性指数（Shannon、Chao1和Inverse Simpson）评估了两个站点微生物群落的多样性。结果显示，站点D的所有指数均高于站点A，表明站点D的微生物群落具有更高的物种丰富度和均匀度，但统计检验表明这些差异未达到显著水平。

β多样性分析通过加权UniFrac距离和主坐标分析（PCoA）比较了两个站点微生物群落的整体差异。PCoA图显示，站点A和站点D的样本呈现出一定的分离趋势，前两个主坐标分别解释了61.0%和32.6%的方差。然而，PERMANOVA检验表明这种分离趋势未达到统计显著性。

柄蔓足类相关微生物群的比较分析

在门水平上，两个站点的微生物群落均以变形菌门（Proteobacteria）为主，相对丰度为70.46%至79.48%，其次是拟杆菌门（Bacteroidetes，10.1-20.9%）、放线菌门（Actinobacteria，0.8-5.0%）和浮霉菌门（Planctomycetes，0.9-2.0%）。尽管门水平组成相似，但在科和属水平上呈现出明显的站点特异性差异。

站点A的样本中，硫发菌科（Thiotrichaceae）相对丰度较高（27.7-37.3%），这是一类硫氧化γ-变形菌。而在站点D，甲基球菌科（Methylococcaceae）成为最优势的科，占群落的21.4-24.6%。统计检验证实这些差异是显著的。

在属水平上，站点A以Cocleimonas、Thiothrix和Sulfurovum为主，而站点D则富含甲基杆菌属（Methylobacter）和甲基微菌属（Methylomicrobium）等甲烷氧化菌。这些甲烷氧化菌也常见于深海热液区贻贝Bathymodiolus platifrons的共生微生物群落中。

OTU（操作分类单元）分析进一步揭示了两站点微生物群落的异同。共鉴定出888个OTU，其中292个（32.9%）为两站点共享，253个（28.5%）和343个（38.6%）分别为站点A和站点D特有。共享OTU主要属于变形菌门、拟杆菌门和放线菌门，构成了柄蔓足类的核心微生物群落。

印度洋热液区柄蔓足类相关微生物群落的功能预测

通过PICRUSt2分析和LEfSe分析，研究人员对两个站点微生物群落的功能潜能进行了预测和比较。结果显示，尽管两个站点的微生物群落共享一些核心代谢功能，如氨基酸代谢、脂质代谢和碳水化合物代谢，但也存在明显的功能差异。

站点A的微生物群落在核苷酸和氨基酸代谢、转录机制、错配修复和无机离子转运等功能通路上显著富集。而站点D的微生物群落则在氧化磷酸化、细胞运动、膜转运和信号转导等通路上更为活跃。特别值得注意的是，站点D的微生物群落还显示出与光合作用相关通路和异生物降解通路的富集。

研究结论与讨论

本研究首次系统比较了印度洋中脊两个相邻热液区柄蔓足类Neolepas marisindica的共生微生物群落。研究结果显示，尽管两个站点的微生物群落共享一个以变形菌门、拟杆菌门和放线菌门为核心的系统发育核心，但在更精细的分类水平和功能潜能上存在明显差异。

站点D（Onnuri热液区）的微生物群落以甲烷氧化菌（如Methylobacter和Methylomicrobium）为主，且功能预测显示氧化磷酸化、细胞运动等相关通路显著富集。这一发现与站点D已知的高甲烷浓度和蛇纹石化相关热液活动的地球化学特征相一致。前期研究显示，该区域水体中甲烷浓度约为52.5 nmol/L，沉积物中含有0.3-2.0%的总硫（TS），且底栖生物的δ³⁴S值（1.8至12.8‰）明显不同于光合有机质（18.7‰），表明热液硫循环活跃。

相比之下，站点A（Solitaire热液区）的微生物群落则以硫氧化菌（如Thiotrichaceae）为主，功能预测显示核苷酸和氨基酸代谢等相关通路更为活跃。这与该区域报告的H₂S浓度（4.75 mM）相吻合，表明硫氧化代谢可能是该站点微生物群落的主要能量来源。

这些发现表明，尽管柄蔓足类Neolepas marisindica在不同热液区维持了一个相对稳定的核心微生物群落，但局部地球化学条件的差异会筛选出具有特定代谢功能的微生物类群，从而形成站点特异的微生物群落结构和功能潜能。这种模式与热液喷口腹足类动物的研究结果相似，后者在不同地球化学环境中也表现出基本相似的基因组成，功能分化主要源于代谢通路的调控和效率差异。

与热液羽流和沉积物中高度多样且对短期地球化学变化响应敏感的自由生活微生物群落不同，柄蔓足类相关的微生物群落表现出更加稳定和与宿主相关的结构。这种稳定但又对地球化学条件有所响应的组合模式，表明了进化保守性和环境筛选在塑造柄蔓足类相关微生物群落中的双重影响，使其区别于自由生活的热液微生物群落。

本研究增进了我们对深海甲壳动物微生物组生物地理学的理解，并强调了局部环境因素在构建极端海洋生态系统共生相互作用中的重要性。未来研究需要整合更多同步采集的地球化学数据，并利用宏基因组学和宏转录组学等方法直接验证微生物的代谢活性，以更全面揭示热液生物与微生物之间的共生关系及其生态学意义。