珊瑚-藻类共生关系崩溃的单细胞生态学机制

《Microbiome》：Single-cell ecology of coral-algal symbiosis breakdown

　　

摘要

背景

珊瑚与甲藻之间的共生关系会因热应力而受到破坏，导致珊瑚白化并最终死亡，从而摧毁珊瑚礁栖息地。尽管这种现象具有全球性的影响，但珊瑚白化实际上是一种发生在细胞层面的多合作伙伴共生关系的崩溃。虽然我们对珊瑚在白化过程中的生理和基因组反应已经有相当多的了解，但我们在细胞层面上的认知仍然有限，尤其是关于珊瑚宿主、藻类共生体及其微生物群落之间的相互作用。通过结合单细胞转录组学、标记基因宏条形码分析（16S rRNA + 18S rRNA + ITS2）以及光化学测量方法，我们得以详细观察这种共生关系破裂的微生物生态学过程。

结果

在针对珊瑚Orbicella faveolata的热应力实验中，该珊瑚共寄居着两种优势藻类共生体，我们观察到了和之间的明显转录组响应差异，尤其是在参与氮循环的转录本上。我们还观察到了不同珊瑚细胞类型之间的特异性表达：在寄居着某种藻类共生体的胃皮细胞中，宿主的热应激相关基因受到共生体的特异性抑制；而在珊瑚腺细胞中，黏液细胞似乎在白化反应中发挥着积极作用。此外，我们首次发现了实验性热应力期间原核生物和微真核生物微生物组的同步变化。早期热应力反应阶段，硝化细菌数量减少，而反硝化细菌和硝酸盐还原菌的数量则增加。这种较高的氮可用性被认为使Symbiodiniaceae菌群的调节不再受珊瑚宿主的控制，同时也促进了其他微生物（如绿藻、硅藻和Labyrinthulids）的爆发，这些微生物可能进一步加剧了导致珊瑚白化的负面反馈循环。

结论

利用scRNA-seq和最新的宏条形码分析方法，我们全面展示了珊瑚全生物体的情况，认为所有组成部分都是相互联系的，并对整个微生物生态系统的健康至关重要。我们发现了不同细胞类型对白化的特异性反应，尤其是在黏液细胞和胃皮细胞中。值得注意的是，在热应力条件下，一小部分腺细胞（黏液细胞）的数量显著增加。我们还观察到在珊瑚胃皮细胞中，与热应力相关的转录本受到共生体的特异性抑制。在全生物体的其他成员中，也有一些在白化过程中表现突出，包括可能对营养循环起重要作用的原核生物以及此前被忽视的原生生物。这项研究为理解珊瑚全生物体的细胞动态提供了一个起点，揭示了共生关系破裂、珊瑚死亡以及最终珊瑚礁衰退的机制。

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