《Marine Drugs》：Exploring the Microbial Reservoir of Geodia cydonium (Linnaeus, 1767): Insights into Site-Specific Diversity and Biotechnological Potential
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本研究对采集自意大利四个不同海域的Geodia cydonium海绵进行了首次跨流域的宏分类学（Metataxonomic）分析，揭示了其高度多样且稳定的核心微生物群落（如Chloroflexota、Actinomycetota等7大优势门），并发现Polignano a Mare位点具有最丰富的菌群多样性及多个具生物技术潜力的独有属（如Albidovulum、Blastopirellula）。研究强调了环境因素对海绵微生物组的影响，为挖掘海洋微生物资源及其在生物修复、药物开发等领域的应用提供了重要基线数据。
探索Geodia cydonium的微生物储库：位点特异性多样性与生物技术潜力的见解
引言
海绵是海洋和淡水底栖群落的基本组成部分，在营养循环和水体过滤中扮演着关键角色。其卓越的滤食能力使其能够处理大量海水并有效截留悬浮的有机颗粒。复杂的进水沟系统内衬着特殊的领细胞，能够捕获包括细菌、病毒和其他微浮游颗粒在内的多种颗粒有机质。此外，许多海绵物种还能从海水中吸收溶解有机碳，从而利用有机质的颗粒和溶解部分作为营养资源。这种对颗粒和溶解有机质的双重吸收能力，使海绵在连接海洋食物网内溶解和颗粒有机质库方面发挥着独特的生态作用。
由于能够积累和保留周围水体中的物质，海绵可以生物富集各种环境污染物，如表面活性剂、重金属和多氯联苯。这种能力凸显了它们作为环境质量生物指示剂和污染物去除活性剂的潜力。结合对颗粒和溶解有机质的过滤以及污染物的生物富集，海绵作为生物地球化学通量的介质以及底栖生态系统中水质量和生产力的调节者，其生态重要性不言而喻。
关于无机营养盐，大多数海绵物种以溶解硅酸的形式吸收无机硅，以产生生物硅，这是其硅质骨架的主要成分。此外，一些海绵可以吸收溶解的无机碳、氮和磷；然而，与硅的吸收不同，这些过程主要由其共生微生物群落介导。此类微生物群落包括光自养生物、甲烷氧化和硫氧化细菌，以及硝化和其他化能自养微生物，它们固定无机营养盐并将其传递给海绵宿主。
海绵宿主着多样的微生物群落，包括细菌、病毒和古菌，这些微生物能够产生次级代谢产物，有助于其抵御病原体和捕食者。除了生态重要性之外，这些共生微生物因其产生的次级代谢产物具有广阔的生物技术应用前景而引起了极大关注。仅在1985年至2008年间，就从海绵中分离出超过3500种新化合物，使它们成为结构独特、生物活性天然产物的最丰富来源之一，与陆生生物截然不同。这些发现支持了海洋海绵作为从其相关微生物中获取新型治疗剂储库的潜力。
地中海是一个生物多样性热点区域，其水文交换有限，水体停留时间长，变暖速度是全球海洋平均速度的两到三倍，使其成为气候变化影响的热点区域。作为一个生物多样性热点，地中海拥有相当比例的欧洲海洋特有物种，这使其面临生物多样性丧失的重大风险，并对水质、渔业、旅游和海岸保护等生态系统服务产生严重影响。包括温度波动、生态压力以及其他生物和非生物因素在内的环境胁迫可以改变海绵的生理和微生物群落结构，有时导致病原体增殖、防御机制受损甚至海绵死亡。
为了支持具有生物技术应用价值的物种的可持续海绵生物质生产，改进水产养殖技术至关重要。综合多营养水产养殖（IMTA）提供了一种创新方法，通过在投喂型物种（如鱼类）旁边共同养殖提取型物种（如藻类和海洋无脊椎动物），从而减轻与传统水产养殖相关的营养负荷和沉积等环境影响。这种方法也被认为是减少自然海绵种群过度开发的一种有前景的策略。
本研究旨在调查来自不同地点的Geodia cydonium样本的相关细菌群落，以评估其生物技术开发或其他可能应用的潜力。特别是，我们首次对来自意大利南部四个海岸的G. cydonium样本的细菌群落进行了全面的宏分类学分析。
G. cydonium是一种长寿的、形成栖息地的海绵，为许多底栖生物提供庇护所和基质。它表现出显著的环境耐受性，在半封闭盆地、高沉积、营养富集和低氧水平区域繁盛。这种恢复力的例证是意大利塔兰托Mar Piccolo的种群，它们在高度退化的环境中持续繁盛了超过45年，代表了地中海最丰富和最稳定的G. cydonium种群之一。
G. cydonium的养殖由于其生长缓慢和复杂的共生关系而仍然具有挑战性。目前的研究正在评估其在塔兰托Mar Grande浮动鱼笼附近的IMTA系统中的海上养殖潜力及其生物修复潜力。据报道，G. cydonium可产生具有抗炎特性的生物活性化合物。尽管有几项研究调查了地中海海绵相关的微生物群落，但对G. cydonium的研究迄今仅限于单一位点分析，未能全面了解其微生物组结构和变异性。
结果与讨论
G. cydonium相关细菌群落的分类学鉴定
一些研究报道了从地中海收集的属于寻常海绵纲的海绵相关细菌的高生物活性和生物多样性。该纲内的几个物种被归类为高微生物丰度（HMA）生物，对应于具有高密度微生物共生体的海绵，通常每克海绵组织有108–1010个微生物细胞，可构成海绵总生物量的40%。
在这项探索性研究中，我们旨在表征G. cydonium的微生物群多样性，从四个意大利南部沿海地点每个地点收集一个样本。我们认识到这种设计限制了地点之间的统计推断和比较；因此，关于位点特异性差异的结论作为初步观察结果提出。此外，应注意本研究未包括海水和沉积物对照。因此，这里观察到的模式是初步和探索性的，所鉴定的微生物分类群不能最终归因于稳定的宿主特异性关联。
在所有样本中总共鉴定出24个细菌门。在Mar Piccolo（MP）样本中观察到最高的门水平多样性，检测到20个门，其次是NAP（18个门）、IMTA（17个门）和POL（16个门）。尽管存在这种变异性，细菌群落始终以Chloroflexota、Actinomycetota、Proteobacteria和Acidobacteriota为主，尽管它们的相对丰度因地点而异。例如，Proteobacteria在NAP样本中特别丰富，而Chloroflexota和Actinomycetota在IMTA和POL样本中占主导地位。丰度较低的门，如Poribacteriota、Nitrospirota、Planctomycetota和Myxococcota，在所有样本中以较低相对频率被检测到。
总体而言，Chloroflexota门是最常见的，在从四个采样点收集的G. cydonium样本中平均占微生物群落的30.2%。其次是Actinomycetota（22.4%）、Proteobacteria（14.6%）、Acidobacteriota（8.6%）、Poribacteriota（8.3%）、Gemmatimonadota（7.1%）和Dadabacteria（2.1%）。其余的门代表性较低，各占总细菌群落的不到2%。在鉴定出的24个细菌门中，上述7个优势门占总微生物群落的93.3%，而其余门仅共同代表微生物群的6.7%。这些结果表明在G. cydonium中存在一个初步的核心微生物群，在四个采样点中保持一致。然而，没有重复样本，宿主特异性和环境影响的程度仍不确定。
这七个门代表了在所有采集点与G. cydonium持续相关的核心微生物群落。事实上，它们存在于所有样本中，尽管相对频率不同，与来自那不勒斯湾的样本相比，来自普利亚大区的三个样本（Mar Piccolo、IMTA和Polignano a Mare）的相对丰度非常相似。尽管环境设置不同，从Mar Piccolo的半封闭寡营养-富营养化盆地，到受水产养殖衍生有机输入影响的IMTA点，以及Polignano a Mare的寡营养、高氧亚得里亚海喀斯特海岸，它们的相对丰度在三个普利亚样本中显著相似。这种模式与物种特异性共生体的存在一致，这些共生体与海绵宿主紧密整合，尽管需要重复实验来证实这一点。
尽管Chloroflexota在本研究中是G. cydonium微生物群中最丰富的门，但在挪威收集的其他同属海绵物种（如Geodia barretti）中并未检测到。这一观察表明在Geodia属内存在物种特异性或环境驱动的微生物群落组成差异。ASV（Amplicon Sequence Variant，扩增子序列变体）分析显示，所有分类群的鉴定平均置信度约为94%（最低75%，最高100%）。
在收集的样本中，发现：
i. 在Polignano a Mare收集的G. cydonium中特征数量最多（300个），尤其是Anaerolineae（5%）、Dehalococcoidia（3%）、Acidomicrobiia（3%）、Gammaproteobacteria（3%）和Acidobacteriota（1%）。
ii. 在那不勒斯Secca delle Fumose采样的G. cydonium中有232个ASV，其中Acidomicrobiia（6%）、Poribacteriota（6%）、Gammaproteobacteria（2%）、Dehalococcoidia（1%）和Thermoanaerobaculia（1%）丰度较高。
iii. 在IMTA系统收集的G. cydonium样本中有148个ASV，其中Acidomicrobiia（7%）、Anaerolineae（7%）、Gammaprotebacteria（3%）、Dehalococcoidia（2%）、Alphaproteobacteria（2%）、Acidobacteriota（2%）和BD2-11_terrestrial_group（Gemmatimonadota门）高度代表。
iv. 特征数量最少的样本是在Mar Piccolo采样的G. cydonium，它揭示了七个细菌类群（Anaerolineae（7%）、Acidomicrobiia（6%）、BD2_11_terrestrial group（3%）、Dehalococcoidia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Acidobacteriota（各2%））。
我们的研究结果显示了我们在之前工作中分析的那不勒斯Secca delle Fumose收集的G. cydonium样本与本研究中分析的同一区域收集的G. cydonium样本之间的差异，涉及门的 presence or absence 及其丰度。特别是，先前在G. cydonium微生物群中鉴定出的Taumarchaeota和Acidobacteriota门在本研究分析的G. cydonium样本中未检测到。相反，本研究中G. cydonium样本中存在的11个门（Crenarchaeota、AncK6、Spirochaetota、Deinococcota、Entotheonellaeota、Bdellovibrionota、Myxococcota、SAR324、NBI-J、Patescibacteria和Bacillota）先前未被检测到。主要的两个差异涉及Gemmatimonadates属（Gemmatimonadota门的一部分），在本研究分析的G. cydonium样本中似乎比之前的分析更丰富。相比之下，Nitrospirota门在本研究中探索的样本中似乎比我们之前工作中考虑的样本丰度低。这些差异可能归因于方法学的变异，包括文库制备和生物信息学流程。
细菌群落丰度与分布之间的关系
为了评估不同G. cydonium样本的微生物群落结构，研究了Alpha多样性，采用了三个互补的指数（Chao1、Shannon和Simpson），它们共同提供了关于物种丰富度、多样性和均匀度的见解，并允许评估测序深度的充分性。
在IMTA系统中收集的样本的Chao1指数始终低于分析中的其他样本，表明分类群丰富度降低。在来自IMTA系统、Mar Piccolo和Secca delle Fumose的G. cydonium样本中，Polignano a Mare样本显示出显著更高的Chao1值，反映了更大的群落丰富度。这些结果进一步得到了Polignano a Mare样本的Shannon和Simpson多样性指数均高于其他地点的事实的支持。这不仅表明分类群数量更多，而且表明群落内物种丰度分布更均匀。综上所述，所有三个指数的结果表明，在所有分析的地点中，与来自Polignano a Mare的G. cydonium相关的微生物组合表现出最高水平的多样性。鉴于每个地点单一样本的设计，这些模式作为探索性观察结果报告，而不是确定的位点特异性结论。
此外，没有环境对照，不可能将真正的宿主特异性分类群与短暂或水传播的细菌分开。因此，虽然数据暗示了潜在的位点相关差异，但它们不能被视为宿主特异性的确凿证据。这一趋势得到了系统发育树的证实，该树说明了四个分析的G. cydonium样本中最普遍属的相对丰度。
特别是，在Polignano a Mare收集的G. cydonium样本中检测到七个属和一个细菌纲是独有的——Albidovulum、Filomicrobium、Microtrix、Gaiellales、D90（Gammaproteobacteria纲）、Blastopirellula和Alphaproteobacteria——具有高度的生物技术意义。这些发现突出了潜在的位点或栖息地特异性分类群；然而，需要额外的样本来确认这些差异是反映了真实的环境影响还是个体变异，以及包括海水和沉积物对照的研究来确认宿主特异性。
Albidovulum属首次从亚速尔群岛圣米格尔岛Ferraria的海洋热泉中分离出来。随后，属于该属的嗜热细菌从各种环境中分离出来，如热泉和高盐环境，但也存在于沉积物和海绵样本中。此外，从南极Whalers Bay沿海喷气孔采集的海水-沙-沉积物混合样本中分离出的Albidovulum sp. SLM16菌株显示出胺转氨酶活性，这对于开发药物、杀虫剂和功能聚合物的生物技术应用可能很重要。
浮霉菌门（Planctomycetes），包括Blastopirellula属，传统上被认为是环境细菌，在海洋、海绵、珊瑚、对虾的沉积物中检测到，也被发现在海鞘、沙漠土壤、高盐环境、碳氢化合物污染环境以及几种植物的根际中。这些细菌最近与人类病理学相关联，作为机会性病原体，引起了临床微生物学家的极大兴趣。然而，它们适应非常不同环境的能力也使它们具有多功能性，适用于生产生物活性次级代谢产物，如萜类化合物以及其他具有抗癌特性的化合物。此外，与海洋海绵相关的Synechococcus、Rhodopirellula、Blastopirellula和Rubripirellula属可能具有重要的生态作用，以多磷酸盐的形式螯合磷，帮助海绵在营养极低的环境中繁盛。
Filomicrobium fusiforme gen. nov., sp. nov.菌株属于Filomicrobium属，首次从波罗的海的咸水中分离出来。随后，另外两个菌株，Filomicrobium insigne sp. nov.和Filomicrobium marinum，从其他来源分离出来：一块石油污染的盐渍土和一次海水富集培养。从生物技术角度来看，该属代表了甲烷磺酸盐生物降解的一个有前景的候选者，利用它作为碳和硫的来源。此外，其在最低培养基中培养94天后在Mater-Bi上检测到，其中生物塑料是唯一的碳源和能源，这支持了其塑料降解的潜力。
Alphaproteobacteria是海洋海绵中非常丰富的一类细菌。特别是，从各种海绵中分离出的属于该纲的几个物种显示出抗菌和抗血管活性。此外，最近有作者证明这些细菌能够在海洋缺氧区将生物可利用氮转化为气态氮。与上述细菌属相比，对Gaiellales属和Microtrichaceae科知之甚少，而对于海洋细菌D90属则没有报道数据。特别是，Gaiella occulta是唯一被提议纳入Gaiellales属的物种。这些细菌在不同的环境中被发现，包括风化的蛇纹岩、红树林湿地、盐碱土、海鞘和废水处理厂。
Microtrichaceae科在无脊椎动物如珊瑚、海绵以及昆虫和哺乳动物中发现。然而，这些细菌在无脊椎动物体内的作用尚不清楚。
Silicimonas algicola gen. nov. sp. nov.是从Thalassiosira delicatula中分离出来的，由一些作者提出。该属细菌也被发现与珊瑚相关。事实上，某些细菌属如Ruegeria、Methyloceanibacter、Filomicrobium、Halioglobus、Rubripirellula、Rhodopirellula、Silicimonas、Blastopirellula、Sva0996 marine group、Woeseia和unclassified_c_G
