南极磷虾肠道微生物组的代谢潜能及其极端环境适应机制

这篇研究通过16S rRNA测序和宏基因组组装基因组（MAGs）技术，首次系统揭示了南极磷虾（Euphausia superba）肠道微生物群的多样性、功能分化及12个潜在新菌种的代谢特征。研究发现，这些微生物通过合成必需氨基酸（如谷胱甘肽）、维生素（如钴胺素）和渗透调节剂（如甜菜碱），协助宿主应对南极极端环境的氧化应激与低温挑战，为极地宿主-微生物互作提供了新见解。

　　

微生物组成与多样性

南极磷虾肠道微生物组展现出显著的多样性和组织特异性。通过16S rRNA测序分析2,651个扩增子序列变异体（ASVs），最终筛选出243个核心ASVs。与磷虾其他组织（如胃、粪便）相比，肠道微生物的ACE、Shannon等α多样性指数显著更高（P < 0.05），且以变形菌门（Proteobacteria，30.7%）、拟杆菌门（Bacteroidota）和厚壁菌门（Firmicutes）为主导。共现网络分析揭示181个微生物节点间存在374条强相关性边（ρ > 0.8），暗示其形成复杂的共生网络。

宏基因组组装与菌种新发现

结合直接宏基因组和培养富集宏基因组技术，研究者从575 Gb测序数据中组装出12个中等及以上质量（完整性>50%，污染<10%）的MAGs，分属于变形菌门（9个）、放线菌门（2个）和浮霉菌门（1个）。系统发育分析显示，这些MAGs与已知菌株的平均核苷酸一致性（ANI）和平均氨基酸一致性（AAI）均低于96%（如假交替单胞菌Pseudoalteromonas euphausia的ANI仅96.6%），相对进化分歧值（RED）均<1，提示其为潜在新物种。

代谢功能分区与宿主适应

基于代谢模块完整性的层次聚类将MAGs分为两类：

• 集群1（如Psychrobacter euphausia 1-3）虽丰度较高（总相对reads占比达72.9%），但仅能合成11种氨基酸；

• 集群2（如Yoonia euphausia 2）虽丰度较低（27.1%），却具备16种氨基酸合成能力，且富含糖苷水解酶（GHs）和碳水化合物结合模块（CBMs）（P < 0.05）。

值得注意的是，两类微生物均能合成抗氧化剂（如血红素、泛醌）和渗透调节剂甜菜碱。此外，集群2的微生物还特异性合成维生素B₁₂（钴胺素）和B₆（吡哆醛-P），可能通过分泌系统（如Ⅳ型）将产物转运给宿主。

转录活性验证

宏转录组分析证实，集群1微生物的转录活性显著高于集群2（P < 0.05），但两者共同贡献了磷虾肠道中80%的高表达基因（TPM值）。其中160个高表达基因功能未知，暗示存在未被探索的宿主-微生物协同机制。

生态意义

该研究首次阐明南极磷虾肠道微生物通过"营养补给"（氨基酸/维生素合成）和"环境缓冲"（抗氧化/渗透调节）双重策略支持宿主适应极地环境，为理解极地生物圈能量流动和碳封存提供了微生物视角。