《Applied and Environmental Microbiology》：Deep-sea siliceous sponges harbor distinct and functionally diverse microbiomes
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深海海绵（phylum Porifera）是长寿且处于基底分支的后生动物，在海洋生物地球化学中发挥重要作用，并栖息着多样化的微生物群落。硅质海绵构成了多孔动物的一个主要分支；然而，其微生物组尚未得到充分表征，尤其是在深海中。本研究采用鸟枪法宏基因组学（shot
深海海绵（phylum Porifera）是长寿且处于基底分支的后生动物，在海洋生物地球化学中发挥重要作用，并栖息着多样化的微生物群落。硅质海绵构成了多孔动物的一个主要分支；然而，其微生物组尚未得到充分表征，尤其是在深海中。本研究采用鸟枪法宏基因组学（shotgun metagenomics）调查了从波多黎各附近四个地点采集的13种硅质海绵的微生物群落组成，采样深度范围为400至1,900米。其中9种海绵来自五个此前未曾通过鸟枪法宏基因组学测序的海绵科。研究人员共组装了来自20个细菌门和1个古菌门的176个宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes, MAGs）。氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea, AOA）Nitrosopumilaceae主导了大多数硅质海绵的微生物群落，并且令人瞩目的是，它是与一种海绵（Farrea）相关的唯一共生体。总体而言，除了一种可能属于高微生物丰度（high microbial abundance, HMA）海绵的Phloeodictyidae外，硅质海绵的微生物组多样性相对较低。研究结果表明，宿主海绵的系统发育可能塑造了微生物群落结构，而环境作用的证据有限。海绵相关的微生物群落具备多种代谢功能的遗传能力，特别是在碳、氮和硫循环方面。除了AOA之外，还通过发现编码RuBisCO、甲烷氧化（methanotrophy）和ATP柠檬酸裂合酶（ATP citrate lyase）的基因，找到了微生物自养潜力的证据。这些结果揭示了硅质海绵谱系中保守的关系和代谢灵活性，暗示了独特的进化动态，并证明了微生物代谢对海绵宿主健康以及在寡营养深海中的营养循环的重要性。
研究背景
海绵（phylum Porifera）大约在6亿年前出现，是最早分化的现存动物类群之一，在海洋生态系统中扮演重要角色。硅质海绵包括六放海绵纲（Hexactinellida）、寻常海绵纲（Demospongiae）和同骨海绵纲（Homoscleromorpha）中以硅质骨针为主的物种。它们在侏罗纪时期曾主导特提斯海的边缘和岩质露头，形成复杂的生态系统热点和硅汇。尽管海绵的生态和进化成功部分归因于其与微生物的共生关系，这些微生物在代谢和免疫中发挥关键作用，但深海硅质海绵的微生物组仍是研究最少的领域之一。目前存在的问题包括：驱动微生物组获取和组成的因素尚不完全清楚，尤其是在深海海绵中；宿主海绵新陈代谢与相关微生物代谢在碳、氮、硫循环中的相对贡献仍不明确。因此，本研究旨在利用鸟枪法宏基因组学技术，调查加勒比海波多黎各沿海水深400至1,900米处采集的硅质海绵的微生物组组成和代谢潜力，探究环境因素和海绵系统发育在塑造微生物群落结构和组成中的作用。
主要技术方法
研究人员使用ROV SuBastian在2023年4月17日至5月6日期间，沿波多黎各海岸的Desecheo Ridge、Esperanza Ridge、Whiting Seamount和Ridge SW of Vieques四个地点，共采集了13种硅质海绵标本（9种六放海绵和4种寻常海绵）。对冷冻组织样品进行DNA提取后，采用Illumina NovaSeq S4平台进行鸟枪法宏基因组测序（paired-end 150 bp）。测序数据经BBDuk和FastQC质控后，使用MEGAHIT进行组装，MetaBAT2进行binning获得MAGs，CheckM2进行质量评估（完整性>70%，污染率<10%），GTDB-Tk进行分类学注释。功能注释通过METABOLIC-C完成，生物合成基因簇（BGCs）由antiSMASH预测。海绵宿主鉴定结合形态学分析和基于SSU-rRNA的系统发育分析。
研究结果
海绵分类学
所有13种硅质海绵标本通过基因组和形态学分析鉴定到科级水平，包括六放海绵的Euretidae（n=2）、Euplectellidae（n=2）、Hyalonematidae（n=4）和Farreidae（n=1），以及寻常海绵的Cladorhizidae（n=3）和Phloeodictyidae（n=1）。其中Phloeodictyidae是唯一可能的高微生物丰度（HMA）海绵。系统发育树显示，同一科的标本间具有密切的亲缘关系，所有分支均获得强支持（bootstrap=100%），但Farreidae和Euretidae之间的分辨率有限。
微生物群落组成和丰度
从13个海绵标本中共获得176个MAGs，涵盖21个微生物门（20个细菌和1个古菌）。微生物群落主要由氨氧化古菌（AOA）科Nitrosopumilaceae主导。Farreidae SH18656的微生物组仅包含两个AOA菌株。变形菌门（Proteobacteria）是第二优势门，存在于所有海绵中。两种Cladorhizidae海绵（SH18725和SH18747）含有较高丰度的拟杆菌门（Bacteroidota）。Euplectellidae SH18781和Cladorhizidae SH18875含有Patescibacteria，而Euplectellidae SH18731是唯一含有Bdellovibrionata的海绵。
氨氧化古菌MAGs的系统发育分析
对23个AOA MAGs的系统发育分析表明，大多数与本研究中获得的AOA MAGs与其他海绵来源的AOA参考序列聚类，而非自由生活或沉积物来源的参考序列。其中16个MAGs聚为一个高度支持的支系（bootstrap=100%），几乎完全由海绵宿主来源的参考序列组成，表明这可能是海绵特异性谱系。来自Hyalonematidae的5个Cenarchaeum MAGs聚类为两个相邻支系，与其他AOA不同。
跨海绵微生物群落的比较
统计显示，微生物群落组成受海绵科显著影响（PERMANOVA，P=0.01），而不受采集地点影响（P=0.237）。海绵科和地点的交互项显著（P=0.031）。Simpson多样性指数在海绵科间差异显著（P=0.0125），但在地点间不显著（P=0.157）。Phloeodictyidae具有最高的门水平多样性（Simpson指数=0.66），而Farreidae最低（Simpson指数=0）。Cladorhizidae的三个标本多样性范围最小，表明其微生物组高度保守。
海绵微生物组的功能潜力
所有海绵微生物群落都具有有机碳氧化、发酵和乙酸氧化的遗传能力。碳固定基因存在于所有三个Cladorhizidae、一个Hyalonematidae和Phloeodictyidae的微生物组中，包括Form 1 RuBisCO和Form 2 RuBisCO。Phloeodictyidae SH18796的微生物组含有与甲烷循环相关的基因，其中一个Binatia MAG具有甲基营养潜力。所有微生物群落都能进行氨氧化，主要由AOA介导。所有Cladorhizidae、Hyalonematidae和Phloeodictyidae含有能够进行亚硝酸盐还原和一氧化氮还原的细菌。所有微生物群落都具备硫氧化、亚硫酸盐氧化和硫酸盐还原的遗传能力。共鉴定出577个BGCs，其中Phloeodictyidae SH18796占41%（n=236），萜烯类是最丰富的BGC类型。
讨论与结论
本研究表明，13种硅质海绵的微生物组特征为整体多样性较低且AOA高度主导，这与之前关于深海海绵微生物组的研究一致。变异分析显示，微生物组组成与海绵分类学的关联性大于采集地点，支持宿主系统发育是驱动微生物组结构的关键因素这一观点。Phloeodictyidae作为唯一的HMA海绵，其微生物组在组成和多样性上与其他LMA海绵截然不同，富含Chloroflexota。三种Cladorhizidae（食肉海绵）的微生物组高度相似，且富含Flavobacteriaceae，可能与它们的食肉习性有关。
AOA主导了硅质海绵的微生物组，它们不仅能氧化海绵代谢产生的有毒氨，还能通过自养作用为海绵提供碳源，在寡营养深海中尤为重要。系统发育分析表明，多数AOA MAGs与海绵特异性谱系聚类，提示海绵与AOA之间存在复杂的共进化历史。
在功能方面，硅质海绵微生物组具备参与碳、氮、硫循环的广泛遗传能力。特别值得注意的是，在Cladorhizidae和Hyalonematidae中发现了RuBisCO基因，表明存在非光合碳固定的潜力，这可能为食肉海绵在猎物匮乏时提供替代碳源。Phloeodictyidae的微生物组还显示出甲基营养潜力。
研究结论：深海硅质海绵的微生物群落结构与宿主海绵系统发育相关，具有参与碳、氮、硫循环的遗传潜力，涵盖异养和自养代谢，其中氨氧化古菌主导了大多数标本。这些结果强调了微生物群落在硅质海绵生态学和深海营养循环中的重要作用，进一步加深了对这些神秘生物的理解。随着海洋变化和底栖生态系统的响应与适应，建立硅质海绵微生物共生的基因组分辨基线对于评估生态系统健康至关重要。
