宿主驱动的进化过程塑造了与藻类共生的黄杆菌科（Flavobacteriaceae）细菌的多糖利用特性

《Microbiome》：Host-driven evolution shapes the polysaccharide utilization profiles of alga-associated Flavobacteriaceae

海洋α-变形菌科（Flavobacteriaceae）与不同藻类共生时表现出宿主特异性碳代谢适应，宏基因组分析显示宏观藻类相关菌株携带更丰富的多糖降解酶基因（CAZymes），且关键转录因子（如AraC和DeoR家族）的表达与宿主多糖类型及叶绿素a含量显著正相关。

　　

摘要

背景

海洋藻类是复杂多糖的主要生产者，在藻圈中为多种微生物群落提供栖息地。黄杆菌科（Flavobacteriaceae）是参与该环境中多糖降解和碳再矿化过程的关键细菌类群之一。然而，藻类宿主在多大程度上驱动了这些细菌中多糖利用方式的多样性，目前尚不清楚。

结果

我们对从红藻、绿藻、褐藻以及硅藻和甲藻中分离出的103株黄杆菌科菌株进行了基因组解析分析。研究发现，与大型藻类相关的菌株通常拥有更多且更多样化的编码糖酶（CAZymes）的基因。此外，与不同藻类门类相关的菌株表现出不同的代谢特性，这些特性与其各自宿主所特有的多糖类型相匹配，这强烈支持了宿主特异性适应现象。在四个广泛分布的属（Maribacter、Flagellimonas、Polaribacter、Winogradskyella）中，糖酶谱的差异以及关键糖苷水解酶基因的演化与藻类宿主的系统发育关系高度一致（Mantel r值分别达到0.76和0.85），表明存在与宿主相关的功能适应。以Maribacter为例，通过培养实验和转录组分析发现，多糖利用效率不仅与基因在多糖利用位点（PULs）中的组织方式有关，还与关键转录因子（TFs）的表达动态相关，尤其是AraC和DeoR家族的转录因子，它们的表达模式与海藻多糖（如层藻多糖）的降解过程相协调。值得注意的是，这两个转录因子家族也表现出与编码糖酶基因类似的宿主相关演化模式。进一步分析海洋宏基因组数据发现，在AraC和DeoR家族中，与叶绿素a含量正相关的基因比例高于其他转录因子家族，进一步证实了它们在藻类相关细菌生活方式中的特殊作用。

结论

我们的综合基因组和转录组分析揭示了海洋黄杆菌科细菌对不同藻类宿主的进化及调控适应性。这些发现强调了由藻类提供的栖息地作为塑造微生物代谢潜力的特殊生态位的重要性，并表明碳水化合物代谢在全球海洋中驱动细菌进化过程中起着关键作用。

视频摘要

背景

海洋藻类是复杂多糖的主要生产者，在藻圈中为多种微生物群落提供栖息地。黄杆菌科是参与该环境中多糖降解和碳再矿化过程的关键细菌类群之一。然而，藻类宿主在多大程度上驱动了这些细菌中多糖利用方式的多样性，目前尚不清楚。

结果

我们对从红藻、绿藻、褐藻以及硅藻和甲藻中分离出的103株黄杆菌科菌株进行了基因组解析分析。研究发现，与大型藻类相关的菌株通常拥有更多且更多样化的编码糖酶（CAZymes）的基因。此外，与不同藻类门类相关的菌株表现出不同的代谢特性，这些特性与其各自宿主所特有的多糖类型相匹配，这强烈支持了宿主特异性适应现象。在四个广泛分布的属（Maribacter、Flagellimonas、Polaribacter、Winogradskyella）中，糖酶谱的差异以及关键糖苷水解酶基因的演化与藻类宿主的系统发育关系高度一致（Mantel r值分别达到0.76和0.85），表明存在与宿主相关的功能适应。以Maribacter为例，通过培养实验和转录组分析发现，多糖利用效率不仅与基因在多糖利用位点（PULs）中的组织方式有关，还与关键转录因子（TFs）的表达动态相关，尤其是AraC和DeoR家族的转录因子，它们的表达模式与海藻多糖（如层藻多糖）的降解过程相协调。值得注意的是，这两个转录因子家族也表现出与编码糖酶基因类似的宿主相关演化模式。进一步分析海洋宏基因组数据发现，在AraC和DeoR家族中，与叶绿素a含量正相关的基因比例高于其他转录因子家族，进一步证实了它们在藻类相关细菌生活方式中的特殊作用。

结论

我们的综合基因组和转录组分析揭示了海洋黄杆菌科细菌对不同藻类宿主的进化及调控适应性。这些发现强调了由藻类提供的栖息地作为塑造微生物代谢潜力的特殊生态位的重要性，并表明碳水化合物代谢在全球海洋中驱动细菌进化过程中起着关键作用。

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