《Molecular Ecology》：Cryptic Interactions in a Marine Microcosm: Sponges Shape the Microbiome of a Resident Goby
编辑推荐：
微生物共生体（microbial symbionts）影响其多细胞宿主的生态和进化过程；然而，它们在海洋系统中仍未被充分表征。海绵（sponges）拥有异常多样的微生物组（microbiome），可能为寄居者提供丰富的微生物储库。锯齿虾虎鱼（Risor rub
微生物共生体（microbial symbionts）影响其多细胞宿主的生态和进化过程；然而，它们在海洋系统中仍未被充分表征。海绵（sponges）拥有异常多样的微生物组（microbiome），可能为寄居者提供丰富的微生物储库。锯齿虾虎鱼（Risor ruber）是一种专性海绵居住者，与其海绵宿主共同构成了一个理想模型，用于研究宿主-寄居者系统中共享微生物类群的原因和后果。研究人员利用16S rRNA测序（16S rRNA sequencing），表征了R. ruber的皮肤和肠道、其海绵宿主、一种非专性海绵关联虾虎鱼（Elacatinus prochilos）以及海水的微生物组。研究人员量化了宿主间的微生物重叠，检查了不同虾虎鱼体型下共享微生物组的个体发育模式，并评估了共享微生物类群对R. ruber的潜在生态益处。研究人员发现R. ruber与其海绵宿主之间共享超过500个微生物ASV（amplicon sequence variant，扩增子序列变异）。R. ruber与其海绵宿主之间的独特微生物重叠远超与E. prochilos和海水的重叠。共享类群被认为与营养获取、维生素生物合成和病原体防御有关，表明R. ruber从居住在微生物丰富的海绵中可能获得益处。R. ruber肠道与海绵之间共享微生物组的比例随虾虎鱼体型增大而下降，这表明虾虎鱼可能在饮食或肠道发育方面经历个体发育变化。因此，海绵不仅提供庇护所：它们可能作为寄居者的微生物储库和营养来源。这些发现强调了保护微生物丰富栖息地以及进一步研究海洋系统及其他领域宿主-寄居者微生物相互作用的必要性。
**论文解读：海绵与寄居虾虎鱼的隐秘微生物相互作用**
**研究背景与问题**
物种相互作用是生态与进化过程的核心驱动力，但隐秘的相互作用（如宿主与微生物共生体之间的关联）在海洋系统中研究不足。海绵（sponges）作为底栖生物，拥有异常多样的微生物组（microbiome），其微生物密度可达总共生体体积的35%，可能为寄居者提供丰富的微生物储库。锯齿虾虎鱼（Risor ruber）是一种专性居住在海绵内部的虾虎鱼，具有限制性扩散潜力，并演化出适应海绵水道生活的形态特征（如特化齿列），其与海绵的紧密关联被认为提供食物和庇护。然而，海绵关联的微生物群落是否反映在R. ruber的微生物组中，以及共享微生物的生态意义，尚不清楚。为此，研究人员开展研究，旨在揭示海绵宿主与寄居虾虎鱼之间是否存在共享微生物组，并评估其潜在功能与驱动因素。
**研究内容与结论**
研究人员收集了来自伯利兹Carrie Bow Cay的45个R. ruber个体及其对应的三种Ircinia海绵（Ircinia campana、I. felix、I. strobilina）样本，同时整合了公开数据集的非专性海绵关联虾虎鱼Elacatinus prochilos（来自巴巴多斯）和海水样本（来自伯利兹）。通过16S rRNA基因V4区扩增测序，表征了R. ruber皮肤和肠道、海绵、E. prochilos皮肤和肠道以及海水的微生物组。研究发现，R. ruber与海绵之间共享超过500个ASV（amplicon sequence variant，扩增子序列变异），其微生物重叠显著高于非专性虾虎鱼和海水，尤其在肠道中更为突出。共享微生物类群被认为与营养循环、维生素生物合成和病原体防御相关。此外，R. ruber肠道与海绵的微生物重叠比例随个体体长增大而下降，提示个体发育过程中饮食或肠道发育的变化。结论表明，海绵不仅是庇护所，更作为微生物储库和营养来源，对寄居虾虎鱼具有潜在生态益处。该研究发表在《Molecular Ecology》。
**关键技术与方法**
主要技术方法包括：16S rRNA基因V4区扩增子测序（使用515F/806R引物，遵循地球微生物组计划协议）；利用QIIME2软件进行序列质控、去噪、ASV鉴定及分类分配（基于SILVA数据库）；采用UniFrac距离矩阵进行β多样性分析，并基于置换多元方差分析（PERMANOVA）和多元离散度分析（PERMDISP）检验组间差异；使用零模型（null model）评估ASV水平重叠的统计显著性；通过贝叶斯β回归模型分析体型与共享微生物比例的关系。样本队列来源：R. ruber和海绵样本采集自伯利兹Carrie Bow Cay的四个斑块礁（2023年7月），E. prochilos数据来自巴巴多斯（Xavier et al. 2019），海水数据来自伯利兹（Gantt et al. 2019）。
**研究结果**
**3.1 鱼类、海绵和海水中的微生物多样性**
通过α多样性（Shannon指数、Faith's系统发育多样性和观察ASV丰富度）和β多样性（Unweighted UniFrac主坐标分析）分析，发现不同样本类型间微生物群落结构显著差异（PERMANOVA: pseudo-F
(5,167) = 5.133, p = 0.001）。R. ruber皮肤、海绵和海水具有较高的α多样性，而R. ruber肠道次之。海绵微生物群落与鱼类样品在ASV水平上明显分离，表明宿主特异性因素也塑造鱼类微生物组。
**3.2 Risor ruber与其海绵宿主的共享微生物组**
在ASV水平上，R. ruber皮肤与海绵共享504个ASV（其中398个仅见于两者），肠道与海绵共享274个ASV（其中168个仅见于两者）。肠道微生物组中，与海绵共有的ASV占总读数的46.2% ± 27.8%，显著高于皮肤（19.3% ± 10.7%）。零模型分析显示，肠道-海绵的ASV重叠显著高于随机预期（观察链接675 vs. 零模型均值431, p < 0.001），而皮肤-海绵重叠低于随机预期。在属水平上，R. ruber与海绵之间的共享属（41个）远超E. prochilos（1个）和海水（2个）。通过严格筛选（海绵中检出率≥10%、读计数>50、排除E. prochilos和海水中的属），鉴定出22个关键共享属，主要属于Proteobacteria、Chloroflexi和Gemmatimonadota，其假定功能包括营养循环（如BD2-11_terrestrial_group）、维生素生产（如PAUC43f_marine_benthic_group）和抗菌活性（如Aquimarina）。
**3.3 塑造共享Risor ruber-海绵微生物组的潜在机制**
在ASV和属水平上，R. ruber的皮肤或肠道微生物组与其对应宿主海绵的微生物重叠，并不显著高于与其他邻近海绵的共享，提示共享可能源于广泛的Ircinia海绵微生物池而非个体特异性。进一步分析体型与共享比例的关系，贝叶斯β回归模型显示，R. ruber肠道-海绵微生物重叠与体长呈负相关（后验均值 = -0.25, 95% CI: -0.39至-0.11），即较小个体肠道与海绵的共享微生物比例更高；皮肤-海绵重叠与体长关系不显著（后验均值 = -0.07, 95% CI: -0.21至0.07）。该模式在属水平上一致。
**讨论与结论**
**讨论部分总结**
R. ruber与Ircinia海绵之间存在显著的微生物重叠，表明专性居住于微生物丰富的海绵可塑造寄居者的微生物组。这种共享远超过非专性虾虎鱼和环境水样，且肠道共享程度更高，提示可能通过摄食或肠道选择性保留实现微生物获取。体型与肠道-海绵重叠的负相关关系，暗示个体发育过程中饮食或肠道发育的变化，可能影响微生物定植。关键共享微生物类群（如Chloroflexi、Gemmatimonadota中的PAUC43f群）与营养循环和维生素B1合成等功能相关，但需进一步宏基因组和代谢组学验证。此外，R. ruber可能通过摄食海绵碎屑发挥外共生体作用，调节海绵滤食机制。
**研究结论翻译**
研究人员记录了底栖无脊椎动物宿主与其寄居虾虎鱼之间显著的微生物重叠，表明专性居住在Ircinia海绵中反映在Risor ruber的皮肤和肠道微生物组中。这些海绵不仅是庇护所，还构成一个微生物丰富的栖息地，持续向寄居者暴露于多样化的海绵关联细菌，包括具有营养循环、维生素生产、免疫支持和病原体防御等假定功能的类群。这强调了将宿主、寄居者和微生物之间的三方相互作用视为生命之树中生态和进化关键驱动因素的价值。此外，研究结果突显了海绵作为栖息地形成生物的生态重要性，它们为众多礁栖生物提供庇护，并可能支持未见的微生物相互作用。海绵由于对环境变化具有较高韧性，可能在未来珊瑚礁中占主导地位，但海洋温度升高可能抑制其代谢功能并破坏微生物群落，进而对海绵关联动物（如R. ruber）产生级联效应。这强调有必要研究环境变化对微生物丰富海绵及未被充分研究的共生海绵关联网络的影响。
