《Environmental Microbiology》：Patterns of Functional Redundancy and Anaerobic Metabolic Potential Characterise the Skin Microbiome of a Critically Endangered Sawfish
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研究人员采用鸟枪法宏基因组学（shotgun metagenomics）对较大齿锯鳐（Pristis pristis）皮肤及配对池水样本进行分析，首次完成了锯鳐皮肤微生物组的分类学与功能特征描述，并评估了其相对于周围水体的生态独特性、群落组装模式及生态韧性。皮
研究人员采用鸟枪法宏基因组学（shotgun metagenomics）对较大齿锯鳐（Pristis pristis）皮肤及配对池水样本进行分析，首次完成了锯鳐皮肤微生物组的分类学与功能特征描述，并评估了其相对于周围水体的生态独特性、群落组装模式及生态韧性。皮肤微生物组表现出强烈的宿主关联性和组成独特性，其分类学丰富度低于水体微生物组，但以芽孢杆菌门（Bacillota）为主，尤其是具有产孢能力的芽孢杆菌纲（Bacilli）。功能谱分析揭示了与产孢、休眠、厌氧代谢和肽转运相关的基因富集，这与低氧、低流动条件相一致。相比之下，水体微生物组在分类学上更为多样，并富集了光合营养和多糖利用相关通路。锯鳐皮肤微生物群落表现出更高的功能冗余模式，即每个分类单元所积累的基因功能更为迅速。结合个体间更大的分类学离散度，该模式与宿主过滤、类彩票式（lottery-like）群落组装过程相一致，即分类学上多变的群落维持相似的功能潜力。休眠和厌氧通路基因的富集表明，皮肤微生物组在宿主静止和环境胁迫期间能够持续存在，同时维持代谢潜力。综上，这些结果表明锯鳐皮肤支持一个具有韧性和功能稳健性的微生物组，该微生物组区别于周围水生群落，凸显了将微生物功能数据整合到极度濒危脊椎动物保护策略中的潜在价值。
论文解读：极度濒危较大齿锯鳐皮肤微生物组的生态组装、功能冗余与厌氧代谢潜力
一、研究背景与科学问题
全球生物多样性正因人类活动引发的环境剧变而持续下降，许多受保护物种包括大型脊椎动物仍面临衰退趋势，这提示某些看不见的生物学过程在影响显现之前便已失效。微生物组日益被认为是决定宿主健康、适应能力和生存的关键因素，在栖息地退化、气候变化和生物多样性丧失背景下发挥重要作用。对于受威胁物种而言，理解正常微生物组如何与宿主组装，是推进保护措施的关键前提。然而，对于非模式物种如软骨鱼纲（elasmobranchs，鲨鱼和鳐类），其皮肤微生物组的生态学机制和功能潜力仍然缺乏充分研究。锯鳐科（Pristidae）所有五个物种均被列为极度濒危，其中较大齿锯鳐（Pristis pristis）在澳大利亚北部依赖淡水栖息地作为育幼场所，在旱季末常被隔离于蒸发中的滞流水塘，此时水体缺氧加剧，锯鳐体况快速下降，环境胁迫压力显著。现有研究多依赖16S rRNA扩增子测序结合预测工具（如PICRUSt、Piphillin）推断功能潜力，这些预测方法在缺乏充分参考数据库的新型或未充分表征环境中常无法真实反映微生物群落的代谢能力。因此，直接通过宏基因组测序测量基因功能，对理解微生物群落如何维持宿主健康与韧性至关重要。本研究旨在填补这一关键空白，首次对较大齿锯鳐皮肤微生物组进行全宏基因组表征，探讨其相对于周围水体的生态独特性、组装机制以及低氧低流动条件下的微生物功能维持策略。
二、研究内容与主要结论
研究团队在澳大利亚北领地戴利河洪泛平原采集了九条0+龄较大齿锯鳐个体（全长99.6–120.0 cm）的皮肤微生物样本，以及同期三个时间点的池水样本（其中五个水样满足测序要求）。采样的水塘在晚旱季与主河道断开，水体由轻度缺氧至缺氧（溶解氧饱和度63.5%–36.6%）。通过鸟枪法宏基因组测序，研究揭示了锯鳐皮肤微生物组与周围水体群落在分类学组成和功能基因谱上的显著差异。皮肤微生物组以芽孢杆菌门（Bacillota，56.6%）为主，尤其是具有产孢能力的芽孢杆菌纲（Bacilli）；而水体微生物组分类学多样性更高，富集了光合作用相关通路（如叶绿素生物合成、光系统II、变形菌视紫红质）。皮肤微生物组富集了产孢、休眠、厌氧代谢和多肽转运相关基因功能，提示微生物通过孢子形成和发酵代谢适应皮肤表面的低氧微环境。群落的分类学个体间差异显著大于水体，但功能基因谱却保持相对稳定，且单位分类丰富度对应的基因功能积累速率更快（K=201 vs. K=1622），功能冗余潜力更大，这一模式支持类彩票式（lottery-like）群落组装假说。这项研究首次为锯鳐皮肤微生物组提供了分类学与功能层面的系统表征，证明锯鳐皮肤支持一个具有韧性和功能稳健性的独特微生物群落，并提出了将微生物功能数据纳入极度濒危脊椎动物保护策略的潜在路径，具有重要的保护生物学意义。
三、关键研究技术方法
研究采用多技术整合策略：首先利用尼龙植绒拭子采集锯鳐背部皮肤微生物样本，同时通过Sterivex滤器过滤采集水体微生物样本；随后用NucleoSpin Tissue试剂盒提取DNA，采用xGen 2S文库制备试剂盒构建鸟枪法宏基因组文库，并在MGI DNBSEQ G400平台进行2×150 bp和2×300 bp双端测序。数据分析使用ATAVIDE_LITE流程：Fastp进行质量控制和接头去除；minimap2比对至小齿锯鳐（Pristis pectinata）基因组（GenBank: GCF_009764475.1）以过滤宿主DNA；MMseqs2比对UniRef50数据库（2023年3月版）进行分类学和基因功能注释，采用最低共同祖先（LCA）方法进行分类分配，功能注释映射至BV-BRC子系统并按SEED层级组织。统计分析和可视化在R（v4.5.1）中完成，包括vegan包进行多样性分析和PERMANOVA检验，ANCOM-BC进行差异丰度分析，Michaelis-Menten非线性拟合和曲线下面积（AUC）计算用于评估功能冗余潜力。
四、研究结果详解
3.1 宏基因组文库概况
共分析了14个宏基因组文库，其中锯鳐皮肤9个、池水5个。去除宿主序列后，锯鳐样本中约45.7%的读长为有效微生物读段，水中约为98.0%。锯鳐样本中22.2%的读段获得分类注释、30.0%获得功能注释；水样中对应比例分别为16.2%和23.2%。
3.2 锯鳐与水柱微生物组的分类学差异
锯鳐皮肤微生物组中，最丰富的门为芽孢杆菌门（56.6%），其次为假单胞菌门（Pseudomonadota，4.48%）和放线菌门（Actinomycetoa，3.17%）。在科水平上，锯鳐皮肤富集的分类群主要为芽孢杆菌科（Bacillaceae）、芽孢杆菌目（Bacillales）和类芽孢杆菌科（Paenibacillaceae）。水样中，芽孢杆菌目（13.5%）和芽孢杆菌科（11.1%）虽也占比较高，但整体分类多样性更高。锯鳐皮肤微生物组的科水平丰富度均值（895.0±36.3）显著低于水体（1122.4±3.67），Shannon多样性亦显著更低。PERMANOVA分析显示两环境的科水平组成显著不同（pseudo-F(1,12)=19.85，R2=0.623，p<0.001），PERMDISP表明锯鳐个体间分类学离散度显著更高。平衡子样本敏感性检验确认环境效应稳健（中位R2=0.707）。共识别出284个差异富集的微生物科，其中锯鳐皮肤富集123个细菌科和4个古菌科，水体富集149个细菌科和8个古菌科。锯鳐皮肤富集了泉古菌门（Euryarchaeota）的产甲烷菌科（Methanocellacea）。
3.3 基因功能差异
全数据集中鉴定出774个SEED子系统，锯鳐和水样分别为763个和766个。尽管Level 1水平的功能分布总体相似，但子系统水平的基因功能谱存在显著差异（PERMANOVA：pseudo-F(1,12)=9.31，R2=0.44，p<0.001）。锯鳐皮肤富集的前五位差异丰度子系统均为产孢相关通路：产孢基因孤儿（sporulation gene orphans）、孢子萌发、SpoVA簇产孢蛋白、孢子萌发受体和SigEG簇产孢蛋白。此外还富集了Dpp二肽ABC转运系统、鞭毛、IV型菌毛和赖氨酸发酵相关基因。水样则富集了多糖利用系统、叶绿素生物合成、分枝杆菌阿拉伯半乳聚糖生物合成、变形菌视紫红质和光系统II。能量子系统组成在两环境间亦显著不同（pseudo-F(1,12)=11.39，R2=0.49，p<0.001），锯鳐皮肤富集了丙酮酸代谢II、支链氨基酸和α-酮酸利用、混合酸发酵、细胞色素d泛醇氧化酶操纵子、丙酮酸甲酸裂解酶簇和电子歧化咖啡酰辅酶A还原酶-Etf复合物。
3.4 功能冗余对比
差异丰度类群与基因功能的Spearman相关分析产生了两个主要聚类群：水样相关聚类含82个水样差异类群和6个锯鳐差异类群；锯鳐相关聚类含50个锯鳐差异类群，其中主要由芽孢杆菌门组成，其他门的类群形成较均匀的相关模式。Michaelis-Menten方程拟合显示，锯鳐的半饱和常数K=201远低于水体K=1622，即锯鳐微生物组每个分类单元积累基因功能的效率更高。曲线下面积（AUC）进一步证实锯鳐功能积累速度快于水体（AUC=98,725±1,170 vs. 84,246±1,184，增加17.2%，Kruskal-Wallis χ2=9，p<0.005）。这些结果共同表明锯鳐皮肤微生物组在较低分类丰富度下维持了更高的功能多样性，与功能冗余潜力增强的模式一致。
五、讨论与结论总结
讨论部分论证了锯鳐皮肤微生物组通过类彩票式组装机制维持功能稳定性：不同个体间分类学组成变异较大，但功能基因谱保持相似，提示从源库中随机定殖具有相似功能能力的分类群。芽孢杆菌门的优势地位和产孢基因的富集支持皮肤表面是一个低氧、低流动的严苛微生境，微生物通过形成孢子进入休眠状态来度过宿主静息和环境胁迫时期。厌氧代谢通路的富集表明微生物能够利用宿主黏液中的糖蛋白和尿苷酸等底物进行发酵代谢，维持能量供应。研究还提出，微生物组作为宿主体外生理屏障的延伸，其稳定性和应激耐受性可作为宿主健康状态的非侵入性早期指示指标。保护意义方面，微生物救援框架为将微生物组数据整合入保护策略提供了理论基础。研究结论明确指出：锯鳐皮肤支持一个微好氧至厌氧的微环境，选择性地塑造了代谢特化的微生物群落；产孢、厌氧能量代谢和黏液降解基因功能的富集表明皮肤微生物组依赖宿主来源底物在低氧条件下维持生存；功能冗余模式提示类彩票式组装机制可能保障了环境胁迫期间微生物组的稳定性，从而介导病原体排斥并增强宿主韧性；锯鳐微生物组有潜力作为监测宿主健康的早期指示生物标志物。未来需对自由流动水体环境中的锯鳐个体开展研究，以判断芽孢杆菌门的优势是否在这些条件下持续存在，并进一步阐明微生物组在极度濒危物种保护中的潜在作用。
