诱导的菌群失调改变温带海绵对升温的生理响应

《Environmental Microbiology》：Induced Dysbiosis Modifies Physiological Responses to Warming in a Temperate Sponge

　　

海洋海绵拥有复杂且特异的微生物组，然而这些微生物共生体在海绵对急性环境胁迫响应中的作用尚未被完全理解。研究人员调查了在模拟海洋热浪（MHW）条件下，改变微生物组如何影响温带钙质海绵Rowella lancifera对温度的生理响应。研究人员使用广谱抗生素处理海绵以干扰其微生物组，随后将其暴露于亚致死MHW温度。通过16^S rRNA基因测序分析微生物群落组成，包括评估多样性和差异丰度，同时通过呼吸速率量化海绵对温度的生理响应。抗生素处理显著改变了微生物群落结构，但并未独立诱导生理响应。热暴露增加了呼吸速率，且在微生物组改变的海绵中观察到更强的响应。多变量分析揭示了微生物群落结构与呼吸速率之间的关系，提示微生物组组成与宿主生理响应之间存在关联。总体而言，这些发现表明海绵-微生物共生体可能在调节对升温的生理响应中发挥作用。随着气候变化下MHWs变得更加频繁和严重，理解海绵-微生物伙伴关系对于预测海绵的响应以及底栖生态系统的稳定性将非常重要。

海绵是底栖群落的重要成员，作为滤食生物连接底栖与浮游生态系统，其微生物组参与氮循环、硫循环、维生素合成等关键代谢功能，可扩展宿主表型。然而，包括海洋热浪（MHW）在内的环境胁迫可能破坏海绵-微生物共生，导致菌群失调（dysbiosis），但菌群失调对海绵耐热性的因果影响缺乏实验证据。本研究旨在通过抗生素诱导菌群失调并模拟MHW，探究微生物组在海绵热应激生理响应中的作用，成果发表于《Environmental Microbiology》。

研究人员以新西兰温带钙质海绵Rowella lancifera为对象，设置对照组、抗生素处理组、热浪处理组和抗生素+热浪组，结合16^S rRNA基因测序与呼吸速率监测，评估微生物组改变与温度暴露的单独及联合效应。抗生素处理显著改变微生物群落结构但不直接引起呼吸变化，热暴露增加呼吸速率，且联合处理下呼吸反应更强烈，提示微生物组失调可能放大海绵的热应激响应。该研究为理解海绵-微生物共生对气候变化的响应提供实验证据，对预测底栖生态系统稳定性有重要价值。

方法上，样本于2024年1月13日采集自新西兰南岛Doubtful Sound的Bradshaw Sound（45°17.103′ S，167°02.034′ E）约15米深处，共36个个体（n=36）。实验采用5种广谱抗生素处理3天以破坏微生物组；模拟MHW从16°C升至20°C并维持3天后恢复。利用16^S rRNA基因V4区扩增子测序分析微生物群落组成、多样性及差异丰度；通过氧传感器法测定呼吸速率；统计方法包括置换多元方差分析（PERMANOVA）、置换多元离散度分析（PERMDISP）、线性混合效应模型、ANCOM-BC2和mvabund。

研究结果如下：

**抗生素和MHW对微生物群落的影响**：PERMANOVA显示处理、时间及交互作用均显著影响微生物群落结构。T1时，抗生素处理组与对照组群落结构差异显著，且离散度增加，表明菌群失调。T4时，抗生素处理组与对照组、热浪组均显著不同，但热浪组与对照组无显著差异；TEnd时，热浪组与对照组也出现差异，显示延迟效应。抗生素处理显著降低扩增子序列变体（ASV）丰富度，增加均匀度和Shannon多样性。

**微生物组在MHW期间分类学变化随抗生素处理而不同**：所有处理中，最优势菌科均为Nitrosopumilaceae。抗生素处理后，多个菌科如Flavobacteriaceae、Rhodobacteraceae等相对丰度升高，随后下降。热浪单独处理仅导致Akkermansiaceae显著减少，且在联合处理下恢复延迟，表明复合胁迫影响菌群恢复。

**呼吸分析显示MHW期间的不同响应**：呼吸速率随时间和处理显著变化。T4时，热浪组呼吸速率显著高于对照组；抗生素+热浪组显著高于抗生素组和对照组，但与热浪组无显著差异；估计差异显示联合处理较对照的增幅更大。TEnd时，抗生素组呼吸速率显著低于热浪组，提示恢复期差异。

**特定微生物成员变化与生理响应相关**：ASV水平个体相关性经多重校正后均不显著，但科水平上，SOKP01、Akkermansiaceae和UBA8477与呼吸速率负相关，Rhodospirillaceae、Desulfobacteraceae等正相关，其中Akkermansiaceae和Rhodospirillaceae在不同处理下丰度显著改变。

讨论指出，抗生素诱导的菌群失调表现为群落离散度增加和丰富度下降，符合“Anna Karenina原则”。热浪单独作用对微生物组影响较小，可能仅对热敏感类群产生选择，R. lancifera的天然微生物组具有一定稳定性。呼吸速率的升高主要由温度驱动，但联合处理下响应增强提示微生物组可能调节宿主代谢应激。Akkermansiaceae与呼吸负相关，且联合处理后恢复延迟，可能削弱海绵对后续胁迫的适应能力。

结论部分表明，该研究首次在海洋海绵中实验检验微生物组与热应激生理响应的关联；MHW和菌群失调均可独立改变微生物群落，但温度是呼吸速率变化的主要驱动力；微生物组破坏可能影响短期热响应；未来人类胁迫频率增加可能通过菌群失调影响海绵健康和生态系统功能。