海藻早期发育过程中微生物组的组装差异：并非所有子代都相同

《Environmental Microbiology》：Not All Children Are the Same: Differences in the Microbiome Assembly During Early Development of Seaweeds

　　

摘要专业翻译 微生物共生体在大型藻类发育中发挥关键作用，然而早期生命阶段微生物组的结构化过程仍知之甚少。研究人员利用实验室培养生长实验和16S rRNA基因扩增子测序（16S rRNA gene amplicon sequencing），比较了三种不同大型藻类——南方石莼（Ulva australis，绿藻门 Chlorophyta）、囊叶藻（Hormosira banksii，褐藻纲 Phaeophyceae）和美丽德尔藻（Delisea pulchra，红藻门 Rhodophyta）——在早期发育过程中的微生物组获取与组装。所有物种在培养生长第一周内即建立了各自独特的细菌群落，且群落组成和结构发生显著变化，并与主要发育阶段相关联。阶段富集类群包括 Phaeobacter、Roseobacter 和 Maribacter，其中已有报道表明部分成员可影响藻类生长或形态发生。垂直遗传对不同宿主微生物组组装的贡献并不均匀。南方石莼（U. australis）可能通过强烈的宿主过滤作用，从环境中招募低丰度细菌；囊叶藻（H. banksii）则选择性地保留了一小部分稳定一致的成体来源细菌；而美丽德尔藻（D. pulchra）保留的遗传细菌较少。这些结果表明，大型藻类可采用多样的传播与招募策略来组装早期微生物组，将选择性遗传与阶段特异性保留和/或环境获取相结合。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

微生物共生体在宿主营养获取、行为与发育调控、环境适应力提升以及病害防御等方面发挥着重要作用。大量研究，尤其是在动物肠道和根际系统中，已证实早期定殖微生物对宿主发育具有强烈影响，并对长期功能与健康具有深远意义。长期以来，共生体从亲代直接传递给后代的垂直传播（vertical transmission）被视为确保宿主—微生物关系在早期生命阶段及跨代际稳定建立的重要机制。然而，越来越多的研究表明，从环境中选择性招募的水平传播（horizontal transmission）或混合传播模式，可能同样重要，因为这种方式可通过获取局部适应的微生物共生体，为宿主提供一定程度的灵活性和适应潜力。

尽管已有研究在养殖鱼类、甲壳类动物肠道以及珊瑚等水生生物中揭示了早期微生物组发育的动态特征，但对于大型藻类（海藻）这一重要的海洋初级生产者和生态系统工程师而言，其早期微观发育阶段的微生物组组装过程仍知之甚少。已有研究报道海藻物种在配子微生物组传递方面存在差异，从无传递（如南方石莼）、非选择性传递（如美丽德尔藻）到强选择性传递（如囊叶藻）不等。然而，垂直传播的共生体在早期发育过程中究竟能持续多久，以及水平获取的细菌对微生物群落组装的相对贡献，仍属未知。

二、研究内容与核心发现

为填补上述知识空白，研究人员对分别代表绿藻门（Chlorophyta）、红藻门（Rhodophyta）和褐藻纲（Phaeophyceae）三大主要海藻类群的南方石莼、美丽德尔藻和囊叶藻进行了比较研究。这三种物种表现出截然不同的共生体传播模式。研究人员假设微生物群落会随宿主发育阶段而随时间变化，且选择性传播的细菌共生体（如与囊叶藻相关的类群）可能对海藻宿主至关重要，因而会在整个早期发育过程中持续存在。

研究发现，海藻在极早期发育阶段即拥有各自独特的细菌群落，形态发育的转变与细菌群落的变化相对应。进一步研究发现，垂直传播细菌对发育中藻体微生物群落的贡献因物种而异，凸显了海藻组装其早期生命微生物组的策略多样性。

三、关键技术与方法

研究人员在澳大利亚新南威尔士州Bare Island（33.9921° S, 151.2312° E）采集了潮间带物种南方石莼和囊叶藻以及潮下带物种美丽德尔藻的可育藻体，分别分离配子/四分孢子进行实验室培养。每个海藻物种设置5个生物学重复，在20°C、循环光照条件下培养，定期更换过滤天然海水，并依据形态变化确定发育阶段进行取样。采用DNeasy PowerSoil Kit提取总DNA，以NOCHL引物扩增16S rRNA基因V3-V4高变区，在Illumina MiSeq平台进行双端300 bp测序。原始序列经TRIMMOMATIC质控过滤、USEARCH合并与UNOISE3算法生成扩增子序列变体（ASV），并基于SILVA v138数据库和基因组分类数据库（GTDB）r226进行嵌合体去除与分类注释。数据分析在R环境中完成，包括α多样性（物种丰富度和Shannon多样性）、β多样性（基于S?rensen相异度的群落组成和基于Aitchison距离的群落结构）、PERMANOVA检验、PERMDISP检验以及基于mvabund包的多变量广义线性模型（MGLM）分析。

四、研究结果

4.1 早期发育阶段即建立宿主特异性微生物组

三种海藻在早期发育阶段即表现出显著不同的细菌群落组成和结构（PERMANOVA：结构F_seaweed = 8.790，R2 = 0.346，p = 0.001；组成F_seaweed = 11.023，R2 = 0.399，p = 0.001），两两比较均存在显著差异（p < 0.001），表明每种海藻在早期发育阶段都拥有独特的微生物组。

4.2 发育早期阶段微生物组的变化

三种海藻均观察到阶段特异性的微生物多样性变化。南方石莼的ASV丰富度在各发育阶段间无显著差异，但Shannon多样性在阶段I显著低于其他阶段。囊叶藻的卵相关群落丰富度显著低于后续所有发育阶段，成体和卵的Shannon多样性也显著低于其他发育阶段。美丽德尔藻阶段I的ASV丰富度显著低于四分孢子，阶段III的Shannon多样性显著高于成体和四分孢子。三种海藻的细菌群落组成和结构均随发育阶段发生显著变化，且各阶段间两两比较大多存在显著差异。

4.3 各海藻早期发育阶段特定类群的富集

南方石莼中18.8%的ASV（765/4075）在不同发育阶段间丰度显著差异。早期阶段（阶段I）富集 Pikelenuella、Colwellia 和 Alteromonas 等属；后期阶段（阶段II–IV）富集 JADHLJ01、UBA4479、HXMU1428-3、Phaeobacter_A 和 DT-111 等类群。这些ASV在海水中丰度较低或未被检测到，而海水中丰富的HIMB11、Psychrilyobacter、Zhongshania 等类群在藻体上缺失或稀少，表明藻体对特定系统发育型存在强烈的正负选择。

囊叶藻中31.2%的ASV（1643/5258）丰度随发育阶段显著变化。受精后24小时（阶段I）富集 Pseudoalteromonas、Marinomonas 和 Pelagimonas；阶段II和III富集 Colwellia、Roseobacter、Paraglaciecola、Maribacter 和 Tenacibaculum；阶段IV和V富集 Alteromonas 和 Henriciella。发育过程中富集的ASV在卵相关微生物组中通常未被检测到或仅零星低丰度存在，因此可能来自周围海水。

美丽德尔藻中22%的ASV（852/3870）丰度随发育阶段显著变化。四分孢子进行初始细胞分裂时（阶段I），Pseudoalteromonas、Aquimarina、Ruegeria、Vibrio、Cobetia、Alteromonas、Paraglaciecola 和 Amphritea 等富集，这些类群在成体和四分孢子中显著存在，但在后续阶段相对丰度显著下降。当四分孢子形成壳状体（阶段II）时，Paraglaciecola、Phaeobacter_A、Minwuia、Henriciella 和 Pikelenuella 等不同ASV富集，并在直立丝状体出现时（阶段III）持续富集。

4.4 垂直传播细菌对发育过程中群落的贡献

UpSet图分析显示，囊叶藻4517个ASV中仅259个（约6%）、美丽德尔藻3576个ASV中仅318个（约9%）在成体、配子和一个或多个发育阶段之间共有。美丽德尔藻中，成体和四分孢子共有的985个ASV中，仅约32%在至少一个后期阶段被保留，约7%在所有观察到的发育阶段中共享。相比之下，囊叶藻成体传递给配子的ASV数量较少（303个），但这些ASV中约85%在后续发育阶段被保留，约37%在所有发育阶段中共享。

五、讨论与结论

研究人员发现，海藻早期发育阶段与微生物群落变化之间存在相关性，形态变化可能通过创造新的生态位来驱动微生物群落的转变。海藻在不同发育阶段的化学组成差异，如美丽德尔藻的呋喃酮浓度、不同海藻的间苯三酚单宁和脂肪酸含量，可能具有抗菌活性，作为微生物演替的选择因子。海藻也可能通过释放细菌趋化物质（如二甲基巯基丙酸，DMSP）招募有益细菌。

特定细菌类群可能在触发形态变化中发挥作用，如 Maribacter 可产生诱导细胞壁和假根形成的类植物激素因子thallusin，Marinomonas 的成员可诱导石莼正常形态发生，Hyphomonas 和 Henriciella 等柄细菌在三种海藻发育后期均富集，Phaeobacter 可能通过产生吲哚-3-乙酸（IAA）促进海藻生长和形态发生。

垂直传播共生体的选择程度与其在早期发育阶段的保留程度相关。美丽德尔藻对垂直传播共生体选择较弱，大部分后期发育阶段保留较少；囊叶藻则强选择性地将成体细菌子集传递给配子，且大部分在后续阶段被保留。南方石莼则表现出对环境中低丰度细菌的强烈早期选择。并非所有后期阶段的ASV都能在成体或配子样本中检测到，表明海藻至少部分从周围海水获取微生物组，呈现混合传播模式。

研究结论指出，南方石莼、美丽德尔藻和囊叶藻各自通过垂直传播共生体、环境来源定殖者和阶段特异性选择的不同组合来构建其早期微生物组，表明不存在适用于所有大型藻类的统一早期全生物体形成模型。通过比较不同海藻类群，该研究为理解这些宿主如何建立细菌伙伴关系以支持早期发育和生长提供了更广泛的框架。