贝加尔湖特有海绵 Lubomirskia baikalensis (Pall.) 疾病的动态变化与超微结构

《Journal of Great Lakes Research》：Dynamics and ultrastructure of diseases of the Baikal endemic sponge Lubomirskia baikalensis (Pall.)

　　

摘要
15 年前，人们在贝加尔湖首次发现了具有异常体色的特有海绵拜加尔卢博米尔斯基海绵（*Lubomirskia baikalensis*，卢博米尔斯基海绵科）。这种异常体色被确定为疾病的指标。自那以后，影响这些海绵的疾病已蔓延至卢博米尔斯基海绵科的所有物种以及整个湖区水域。这导致整个湖区湖底健康海绵的投影覆盖面积大幅减少。这对 *L. baikalensis* 而言尤为令人担忧，它是湖中丰度最高的物种之一。在人为压力增加的地区，如叶皮涅希湾，*L. baikalensis* 的衰退速度尤其高。本文展示了在自然环境中对个体 *L. baikalensis* 标本进行长期观测的结果，并结合长期暴露于水温升高的背景对其进行了讨论。它还描述了 *L. baikalensis* 健康细胞和受坏死损伤细胞的超微结构研究结果。通过各种显微方法，我们展示了一种机制，即 *L. baikalensis* 通过形成一层保护层将健康细胞与受损细胞隔开，从而防止损伤向深层组织扩散。然而，尽管存在这种保护机制，*L. baikalensis* 的丰度仍在持续下降。

引言
面对气候变化和人类活动影响，保护全球生物多样性已成为人类面临的一个日益紧迫的问题（Farooq 等，2021；Valipour 等，2021）。气温上升和人为胁迫不仅影响陆地群落，还影响水生生态系统的功能完整性（Cohen 等，2016；Hampton 等，2018；Pilla 等，2020），包括贝加尔湖。在过去 20 年中，在这个世界上最深淡水水体（1642 米）中记录到了显著的生物群落变化。这些变化在底栖生物群落中尤为明显，例如 20 世纪 70 年代引入了加拿大水草（*Elodea canadensis*）（Izhboldina, 1990）以及目前其沿贝加尔湖开阔海岸的扩张（Kravtsova 等，2010）；海岸湾内及湾外的水绵属（*Spirogyra*）和轮藻属（*Oedogonium*）丝状藻类的增殖（Kravtsova 等，2014, 2020；Timoshkin 等，2016, 2018）；大型底栖动物中寡毛纲动物比例的增加；以及古北界石蛾、摇蚊和软体动物物种的范围向此前无其分布的栖息地扩张（Kravtsova 等，2021, 2025；Schniebs 等，2022；Sitnikova 等，2024）。此外，特有海绵的大量死亡（Khanaev 等，2018），常伴随蓝细菌定殖（Sorokovikova 等，2020），是一个主要关注点。
研究人员特别关注特有海绵多样性的保护。在贝加尔湖中，海绵代表两个科：广布的寻常海绵科（*Spongillidae*，五个物种）和特有种卢博米尔斯基海绵科。卢博米尔斯基海绵科包含四个属下的 15 个物种（Bukshuk 和 Maikova, 2020; Efremova, 2001; 2004; Manconi 和 Pronzato, 2019）。它们栖息于开阔湖区的各个盆地，其最高密度和物种丰富度集中在 3–40 米深度（Efremova, 2001; Masuda, 2009）。它们的生物量相当大，通常比软体动物、端足类、蠕虫和其他底栖无脊椎动物高出几个数量级（Kozhov 等，1969）。最占优势的物种包括拜加尔卢博米尔斯基海绵（*Lubomirskia baikalensis*）、拜加尔中海绵（*Baikalospongia intermedia*）和棒状拜加尔海绵（*B. bacillifera*）（Masuda, 2009）。贝加尔湖海绵表现出三种主要体形：壳状、球状和分枝状。分枝形态是 *L. baikalensis* 这一单一物种所独有的。该物种尤为令人担忧，因为其种群衰退速度相对于其缓慢的生长率而言极快；虽然 *L. baikalensis* 每年生长约 1 厘米（Gombraikh, 1988），但一个约 50 岁的个体仅 3 个月就可完全降解（Suturin 等，2016）。
过去 15 年来，表现出各种类型损伤——包括坏死、变色、生物膜和结壳——的海绵在贝加尔湖中变得越来越普遍（Bormotov, 2011; Maikova 等，2023）。其中，坏死最为频繁，占病例的 40%。这种大规模疾病导致湖底健康海绵的投影覆盖度迅速减少，特别是 *L. baikalensis*，其丰度在过去 15 年间下降了 50%（Maikova 等，2023）。为了确定这些疾病的病因，已进行了广泛的微生物组研究（Denikina 等，2016; Kulakova 等，2018; Lipko 等，2022）。已知 *L. baikalensis* 与绿色微藻形成共生伙伴关系，而蓝细菌常见于海绵全生物体中，尽管其功能角色和共生状态仍不确定。患病海绵显示蓝细菌占主导地位，疣微菌门（Verrucomicrobia）比例增加，真核藻类的多样性和丰度降低，以及拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetes）的减少，同时消除了各种小门类（Denikina 等，2016）。观察到的微生物失调可能由几种机会致病菌引起，其协同效应可能会加剧对内生共生光合微藻的负面影响，导致其死亡及随后的海绵疾病（Belikov 等，2019）。利用原胚培养（即保持增殖能力的海绵细胞聚集体）的模型实验已被用于鉴定病原菌（Chernogor 等，2020; Ereskovsky 等，2016），鉴定出假交替单胞菌属（*Janthinobacterium*）PLB02 菌株为最可能的病原体（Chernogor 等，2023）。然而，具体的传染性病原体尚未被最终确定，尽管假设主要靶标是属于 Choricystis 属（Kulakova 等，2020）的内生共生绿色微藻（Belikov 等，2018, 2019）。
值得注意的是，贝加尔湖特有海绵的大规模疾病是淡水海绵中记录的首例，而海洋海绵疾病已有超过一个世纪的记录（Smith, 1941; Luter 和 Webster, 2022）。显微分析是全面研究海洋海绵病理学的重要组成部分；然而，由于海绵宿主多样的微生物群落（包括单细胞藻类、异养细菌和蓝细菌）（Pita 等，2018），这使得情况复杂化。在自然样本中鉴定病原体通常很困难，因为许多病原微生物无法培养，且难以确定与环境相关的病原体剂量。因此，很少能证明特定微生物对海洋海绵疾病负有具体责任（Maldonado 等，2010; Stabili 等，2012）。之前尝试鉴定海绵中病原体的工作利用了各种显微技术。例如，透射和扫描电子显微镜表明，普通海绵（*Spongia officinalis*）中降解的海绵丝受细菌影响（Gaino 和 Pronzato, 1989）。同样，硅藻 *Melosira* sp. 已被证实通过侵入 *Scolymastra joubini* 的组织引起退行性变化（Cerrano 等，2000）。透射电子显微镜（TEM）也被用于分离 *Ianthella basta* 健康和患病组织中的主要细菌形态（Luter 等，2010）。最近，组织学制备表明，受影响鞭毛室层区域中细菌引起的损伤导致海绵组织内形成缺乏上皮的大空腔（Din?türk 等，2023）。迄今为止，尚未对受影响的贝加尔湖海绵进行显微分析。
另一个需要进一步研究方面是贝加尔湖海绵抵御组织损伤扩散的能力。已知海绵具有很高的再生潜力（Ereskovsky 等，2021）。证据表明，海绵可以在受损和健康海绵组织区域之间形成屏障——由胶原蛋白层或由骨针束和胶原蛋白加固的层组成——从而防止损伤向体内更深层次扩散（Cerrano 等，2001; Maldonado 等，2010）。具体来说，在 *Ircinia* 属海绵中，发现多层胶原蛋白屏障可防止感染细菌的深入渗透，导致大多数情况下恢复（Maldonado 等，2010）。虽然贝加尔湖海绵也有能力再生受损身体部位（Maikova 等，2020），但潜在机制仍未得到研究，显微研究将在弥补这一差距方面发挥关键作用。
本研究的目标是利用个体标本表征 *L. baikalensis* 在自然环境中的降解率，并研究 *L. baikalensis* 健康细胞和坏死细胞的超微结构。

分节片段
野外研究区域简要地貌特征
野外研究于 2016 年至 2024 年在贝加尔湖南部盆地的西岸沿海区域进行。建立了两个研究点：1 号点在波尔希耶科蒂湾，瓦纳恰卡浅滩对面（N 51°54′07.3", E 105°06’20.2"），2 号点在叶皮涅希湾（N 51°52′01.6", E 104°49’46.7"）。研究使用“季托夫”号科考船和水肺潜水设备进行。
1 号点建立于 2016 年 6 月 4 日。该站点覆盖面积约 6 平方米，位于深度……
研究点监测研究
在监测期间，识别出近底层水温（Tw ≥ 13 °C）显著升高且持续超过 72 小时（3 天）的情况。通常，7 月下旬至 9 月中旬记录到 Tw ≥ 13 °C。例外是 2020 年和 2023 年，当时 Tw ≥ 13 °C 的情况发生在更长的时间间隔内。2020 年，7 月上半月首次记录到温度持续（142 小时）升至 13 °C 及以上的情况（4 米深度最高 17.5 °C）。2023 年，温度……

讨论
在贝加尔湖波尔希耶科蒂湾和叶皮涅希湾研究点对个体 *L. baikalensis* 标本进行的长期野外观测表明，这一丰度最高物种之一的降解率相对较高。我们首次展示了水温上升与贝加尔湖海绵降解速率之间的关系。
我们在不仅全球范围内而且也在……背景下观察到温度尖峰……

结论
首次对贝加尔湖特有海绵 *L. baikalensis* 受影响组织和健康组织的超微结构进行了显微研究。已证明健康细胞和患病细胞之间形成保护性胶原蛋白屏障层的机制，这可以防止受损组织的生长。所得数据表明，贝加尔湖海绵的损伤与海绵组织保护功能的受损有关，这主要表现为……

CRediT 作者贡献声明
Olga Maikova: 写作 – 初稿撰写，可视化，方法论，调查，形式分析。Yekaterina Bedoshvili: 写作 – 初稿撰写，可视化，方法论，调查，形式分析。Elena Troitskaya: 写作 – 初稿撰写，方法论，调查，形式分析。Lyubov Kravtsova: 写作 – 审阅与编辑，可视化。Alena Yakhnenko: 写作 – 审阅与编辑，可视化。Yurij Bukin: 方法论，形式分析。Ekaterina Sorokovikova: 写作 –

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
野外研究是从“格奥尔基·季托夫”号科考船上进行的（俄罗斯科学院西伯利亚分院贝加尔湖科考船共享中心）。本研究使用了俄罗斯科学院西伯利亚分院“超微分析”共享研究设施“电子显微镜”仪器中心的显微镜进行（http://www.lin.irk.ru/copp/）。本工作得到了基础研究项目 1025032400008-1-1.5.12、1023032700323-4-1.5.12、1023032700327-0-1.6.8 的支持，以及

Olga Maikova|Yekaterina Bedoshvili|Elena Troitskaya|Lyubov Kravtsova|Alena Yakhnenko|Yurij Bukin|Ekaterina Sorokovikova|Igor Khanaev
俄罗斯科学院西伯利亚分院水文学研究所，俄罗斯，伊尔库茨克，乌兰巴托街 3 号，邮编 664033