海草衰退过程中沉积物微生物群落代谢特征的变化及其生态意义

本研究针对地中海地区广泛分布的Cymodocea nodosa海草床衰退现象，通过宏蛋白质组学技术揭示了植被覆盖与非植被沉积物微生物代谢特征的差异。研究人员在亚得里亚海湾进行为期16个月的月度采样，发现海草存在时深层沉积物微生物蛋白丰富度和多样性显著高于裸沙区；而海草衰退导致非植被区代谢特征向植被区趋同，尤其深层沉积物中ABC转运蛋白、发酵酶和异化硫酸盐还原相关蛋白变化显著。该研究首次从功能层面阐明了海草衰退对沉积物微生物代谢网络的重构作用，为理解滨海碳循环的微生物驱动机制提供了新视角。

　　

在地中海蔚蓝的海域中，海草床如同海底的草原，不仅为无数海洋生物提供栖息地，更是重要的碳汇生态系统。然而近年来，包括地中海特有物种Cymodocea nodosa在内的全球海草床正以惊人速度衰退，仅1880年以来就消失了19%。这种衰退不仅威胁生物多样性，更可能改变沉积物中微生物驱动的关键生物地球化学循环过程。尽管已有研究关注海草衰退对大型生物的影响，但沉积物微生物群落的代谢响应机制仍是未解之谜。

克罗地亚Ruder Boskovic研究所海洋研究中心的Marsej Markovski团队联合奥地利维也纳大学等机构，在亚得里亚海湾开展了一项创新性研究。通过宏蛋白质组学技术追踪海草衰退过程中沉积物微生物的代谢特征变化，相关成果发表在《Environmental Microbiome》。研究发现海草覆盖显著提升沉积物微生物的蛋白表达多样性，这种效应在深层沉积物尤为明显；而当海草衰退时，非植被区微生物代谢特征会向原有植被区趋同，其中能量代谢关键酶F型H⁺-转运ATP酶亚基c的比例变化最为显著。该研究首次从功能蛋白质组层面揭示了海草生态系统退化对微生物代谢网络的深远影响。

研究人员采用多组学联用策略：每月采集植被区与非植被区沉积物柱状样（2017年7月至2018年10月），分层提取DNA和蛋白质；选择关键时间点的样本进行宏基因组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）；通过FASP法处理蛋白质样本，Q Exactive质谱仪获取MS/MS数据；使用SEQUEST-HT引擎比对自建数据库（CD-HIT聚类90%相似度），保留假阳性率<1%的肽段；最终分析57,305个微生物来源蛋白的功能特征。

代谢特征的空间分异
通过比较植被与非植被沉积物发现：海草存在时，植被区所有沉积层的蛋白检测数量（32,183-39,996种）和Shannon多样性指数（3,927.3-11,300.0）均显著高于非植被区。这种差异在深层沉积物（4-8 cm）尤为显著，如底部非植被区的Shannon指数仅为植被区的5.8%-26.2%。

时间动态的层间差异
海草衰退期间（2018年3月后），非植被区微生物代谢特征发生显著重构：底部沉积物中能量代谢相关蛋白（COG类别C）占比从19.5%-31.7%骤降至8.2%-13.9%。PCoA分析显示这种变化在深层沉积物最明显（ANOSIM R=0.95），尤其是F型H⁺-转运ATP酶亚基c的比例从52.7%-76.0%降至3.2%-19.3%。

有机质降解途径重塑
• 水解酶特征：植被区糖苷水解酶GH5/GH9（降解纤维素）占总CAZymes的47.2%，衰退期间非植被区顶部CAZymes显著减少
• 转运系统：植被区糖类ABC转运蛋白在深层占比（3.90-5.52%）显著高于非植被区（1.75-2.81%），衰退后差异消失
• 发酵过程：甲酸脱氢酶（45.2%）和丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶（31.4%）在植被区深层沉积物占比更高

硫循环关键酶动态
异化硫酸盐还原途径中，腺苷酰硫酸还原酶（Apr）占比达75%，其亚基aprA/aprB在衰退期间非植被区底部显著增加（3.5-7.4%升至12.1-15.7%），暗示有机质输入增加可能促进硫酸盐还原菌活性。

该研究揭示了海草床作为"代谢热点"的生态功能：通过根系分泌物和凋落物输入，塑造了独特的微生物代谢网络，这种影响随沉积深度增强。当海草衰退时，物理屏障消失导致有机质扩散，使得非植被区代谢特征趋同于原有植被区，这种"功能均质化"现象在深层沉积物延迟出现。研究首次从蛋白质组层面证实，海草衰退不仅改变微生物群落组成[21]，更重构了其代谢功能架构。

这些发现对理解滨海碳循环具有双重意义：一方面，海草床沉积物中活跃的异化硫酸盐还原（dsr基因相关蛋白）和发酵过程（adh基因产物）可能是碳埋藏效率的关键调控点；另一方面，衰退导致的代谢网络趋同可能影响沉积物碳稳定性。未来研究需结合更长时序观测，并拓展到不同海草物种体系。该研究建立的宏蛋白质组学方法（检出57,305种微生物蛋白）为海洋沉积物功能研究提供了新范式，其关于能量代谢酶F₀F₁-ATPase动态变化的发现，也为理解微生物应对环境变化的能量调控策略提供了线索。