全球海洋微生物群落的三域通用引物定量表征：GRUMP数据库的构建与应用

本研究通过开发515Y/926R通用引物系统，首次实现对海洋细菌(Bacteria)、古菌(Archaea)和真核生物(Eukarya)的三域同步定量分析，构建了覆盖全球主要海盆的GRUMP数据库（1194个样本）。该研究解决了传统分馏测序导致的跨域比较难题，揭示了微生物群落纬度分布规律（如高纬度真核生物占比达32%），为海洋生态互作和碳循环研究提供了标准化工具。成果发表于《Scientific Data》，数据已公开于Simons CMAP平台。

　　

海洋微生物是地球生命支持系统的核心驱动者，从光合固碳的浮游植物到参与元素循环的异养菌群，它们通过复杂的相互作用维系着海洋生态功能。然而，长期以来研究者面临一个技术瓶颈：传统分馏过滤和域特异性引物导致细菌、古菌和真核生物的群落数据无法直接比较。这种"数据孤岛"现象严重阻碍了对海洋微生物整体生态格局的认知，例如无法准确评估不同域生物在碳泵过程中的协同作用。

南加州大学领衔的国际团队在《Scientific Data》发表突破性研究，通过开发515Y/926R通用引物系统，首次实现对三域生物的同步扩增和定量分析。研究人员整合2003-2020年间19次科考获得的1194个未分馏海水样本（>0.2μm），涵盖北极、大西洋、太平洋等主要海盆的深度剖面数据，构建了全球rRNA通用浮游生物宏条形码数据库（GRUMP）。该数据库不仅校正了Illumina测序对长片段（如18S rRNA）的系统性偏差，还通过生物分析仪定量验证实现跨域数据的标准化比较。

关键技术包括：（1）采用非分馏采样避免尺寸分选偏差；（2）优化515Y/926R引物同步扩增16S/18S rRNA基因；（3）开发定制生物信息流程（QIIME2+DADA2）处理非重叠读长；（4）基于ProPortal数据库提升蓝细菌分辨率；（5）整合Simons CMAP平台的环境参数。样本来源包括大西洋经向断面（AMT）、北极MOSAiC航次等19个科考项目。

主要发现

1. 群落组成特征：校正后数据显示细菌占主导（平均71%），真核生物（19%）和古菌（8%）次之，但高纬度（>40°）真核生物贡献提升至32%。蓝细菌中Prochlorococcus HLII生态型是热带海域优势类群。

1. 地理分布模式：太平洋样本占比最高（39.5%），其次为大西洋（17.3%）和南大洋（25.5%）。表层50m以细菌为主（热带海域占比60-72%），而极地真核生物丰度显著升高（北极36%，南大洋54%）。

2. 技术验证优势：相比传统方法，该引物系统可匹配96%的原核生物和85-90%真核生物的基因组靶标区域，且通过模拟群落验证其准确性。

3. 数据库特色：GRUMP包含136,603个ASV（扩增子序列变异体），其中蓝细菌ASV可细化至27个Prochlorococcus/Synechococcus生态型。真核生物数据同时包含核18S rRNA和质体16S rRNA信息，解决如定鞭藻类（Prymnesiophytes）在两类标记中的检测差异问题。

结论与意义
这项研究建立了首个支持三域微生物直接比较的标准化数据库，突破了海洋微生物生态研究的量化瓶颈。通过揭示纬度梯度上群落结构的转变规律（如高纬度真核生物优势），为预测气候变化下的生物响应提供了基线数据。方法论上，开发的生物信息流程（图2）解决了非重叠读长处理难题，而整合生态功能分组（如将真核生物按营养级分类）增强了数据的应用价值。

研究者特别指出，该数据库可与流式细胞术、色素分析等传统方法互为验证，并为海洋碳循环模型提供群落参数。未来计划通过持续增加样本实现时间序列比较，这将为理解微生物群落对全球变化的响应机制开辟新途径。