發(fā)表期刊：Microbiome
發(fā)表時(shí)間：2023

影響因子：15.5

DOI:?10.1186/s40168-023-01559-1

研究背景

大型藻類附生微生物群落是新型酶類和化合物的豐富資源，在維持沿海系統(tǒng)的高生物生產(chǎn)力和生物多樣性方面發(fā)揮著重要的作用。但迄今為止的研究主要集中在基于微生物多樣性分析或有限的單一大型藻類物種的宏基因組測(cè)序上。對(duì)于不同大型藻類中常見的核心細(xì)菌，在分類、代表性基因組和生態(tài)生理功能等方面的研究尚且缺乏。

研究方法

本研究區(qū)域位于中國威海沿海一個(gè)固定的礁石上，分別在四個(gè)季節(jié)（春、夏、秋、冬）對(duì)石莼（Ulva?sp. 綠藻），海帶（Saccharina?sp. 褐藻），石花菜（Grateloupia?sp. 紅藻）和蜈蚣藻（Gelidium?sp. 紅藻）等4種藻類，以及海水和沉積物進(jìn)行取樣，隨后通過16s rRNA多樣性測(cè)序、單菌基因組掃描圖測(cè)序以及深度宏基因組測(cè)序手段來研究藻圈細(xì)菌微生物的組成以及大型藻藻際微生物組的組成和分布。

主要結(jié)果

1、所有藻類均具有相似而多樣的藻圈群落特征，且具有顯著的季節(jié)性

基于ASV的α多樣性結(jié)果表明，藻際樣本的多樣性與海水樣本的多樣性相似，但是低于沉積物的樣本多樣性。主坐標(biāo)分析（PCoA）結(jié)果顯示，三種不同生境（藻際、海水、沉積物）的樣本可以明顯的分開（圖2a），存在顯著的差異。對(duì)藻際樣本進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異，表明大型藻類物種之間存在相當(dāng)程度的核心類群（圖2b）。隨后，當(dāng)去除核心種群之后，樣本根據(jù)季節(jié)聚類更加的明顯，表明非核心類群對(duì)季節(jié)變化的貢獻(xiàn)更大（圖2c）。

2、藻際微生物群落主要以少量的核心類群為主

ASV分析顯示藻際大部分的細(xì)菌科水平只包含一到兩個(gè)屬，少數(shù)細(xì)菌如Flavobacteriaceae和Rhodobacteraceae有更廣泛的屬水平代表。這種較低的整體均勻度強(qiáng)調(diào)了藻際群落主要由少數(shù)豐富的進(jìn)化枝主導(dǎo)。來自8個(gè)科的14個(gè)核心屬在所有的大型藻類中都存在，并且至少在一個(gè)樣本中的豐度≧1%。

3、來自16個(gè)藻際豐富的核心屬和優(yōu)勢(shì)屬的230個(gè)物種

基于16S rRNA測(cè)序分析，本研究共培養(yǎng)了5,527株菌株（大型藻類4426株）。這些菌株包括735個(gè)新種（來自大型藻類的有577個(gè)），除去分類不完整29株菌株以外，共有230個(gè)物種（1556株菌株）代表6/14的藻際核心屬和10/14的藻際優(yōu)勢(shì)屬。

4、大規(guī)模數(shù)據(jù)的藻際細(xì)菌的基因組草圖和MAG，包括新物種

基于16S rRNA序列相似性，本研究選擇了965株（大型藻類：864）菌株初步測(cè)序，其中550余新種，42余新屬。與14131個(gè)已發(fā)表的參考基因組進(jìn)行比較，得到的基因組草圖對(duì)應(yīng)于652個(gè)物種（95% ANI，65% alignment），代表了820個(gè)非冗余DGs（基因組草圖）（99% ANI）。

從宏基因組數(shù)據(jù)中獲得了1619個(gè)完整度≧50%，污染度<10%的MAGs。為了確定物種總數(shù)，研究還使用基于多步距離的方法（95% ANI）對(duì)最初的965個(gè)DGs和1,619個(gè)MAGs進(jìn)行了聚類（圖5）。結(jié)果得出1781種原核生物，1689種細(xì)菌和49種古細(xì)菌，古細(xì)菌的總體豐度很低，厚壁菌門也是如此。大型藻際細(xì)菌的基因組大小平均大于沉積物和海水的細(xì)菌基因組（圖5b）。

5、藻際擬桿菌門含有很高未知比例的基因并主導(dǎo)了藻類多糖的降解

基于EggNOG、COG、Pfam數(shù)據(jù)庫對(duì)DGs和MAGs進(jìn)行功能注釋，平均功能預(yù)測(cè)率分別為80.9%、75.9%和77.1%。而當(dāng)基于UniProtKB和KEGG數(shù)據(jù)庫進(jìn)行注釋時(shí)，分別有46.8%和75.6%的基因沒有注釋結(jié)果。其中，在所有門中，從培養(yǎng)的擬桿菌門（305個(gè)來自大型藻類）獲得的376個(gè)基因組中未知基因的比例最高。這說明大型藻類定殖Bacteroidota具有特別豐富的未知功能的基因資源。

研究搜索了所有DGs和MAGs的活性酶（CAZyme）基因，鑒定了292,848個(gè)同源基因。在擬桿菌門中發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)CAZyme基因（61.8%），證實(shí)了該門成員在藻類多糖降解中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。該研究進(jìn)一步預(yù)測(cè)了4451個(gè)多糖利用位點(diǎn)（PULs），6376個(gè)PUL-like基因簇，19826個(gè)CGCs和1699個(gè)susCD基因?qū)?，大多?shù)發(fā)現(xiàn)于DGs中。與海水相比，藻際的PUL數(shù)高1.6倍，沉積物基因組的PUL數(shù)高2.8倍。在藻際中，富含PUL的物種主要屬于Zobellia、Polaribacter、Aquimarina、Tenacibaculum、Algitalea和Maribacter，代表了藻際的核心屬或優(yōu)勢(shì)屬。

6、藻際類群，尤其是擬桿菌門具有豐富的生物合成基因簇

該研究鑒定到了8810個(gè)假定的生物合成基因簇（BGCs），由于DGs通常比MAGs更完整，因此它們具有較低比例的不完整BGCs。BGCs數(shù)量最多的前100個(gè)基因組中有93個(gè)屬于藻際細(xì)菌，BGCs數(shù)量最多的前20個(gè)基因組中有10個(gè)屬于藻際擬桿菌門（圖7b）。擬桿菌門具有高比例的用于萜烯和NRPS生物合成的BGC，例如新的核心藻際物種Aquimarina?sp. 2-328。

大多數(shù)BGC在擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門等中被鑒定，所有類群都富含核心藻際細(xì)菌。核心/優(yōu)勢(shì)藻際類群成員包含具有非常高的BGC比例。大多數(shù)預(yù)測(cè)的BGC產(chǎn)物都是未分類的，這反映了藻際細(xì)菌具有尚未探索的生物合成功能的豐富資源。

結(jié)論

綜上所述，本研究結(jié)果不僅證實(shí)了所有取樣的大型藻類都具有相似的藻際群落特征，而且還獲得了689個(gè)新物種的分離菌株。特別是成功地培養(yǎng)了大量的核心和優(yōu)勢(shì)藻際類群你，用于未來深入的功能研究。同時(shí)，本研究提供的基因組數(shù)據(jù)有望為未來整個(gè)大型藻類微生物群的宏轉(zhuǎn)錄組研究提供有價(jià)值的搜索空間。

參考文獻(xiàn)

Epiphytic common core bacteria in?the?microbiomes of?co-located green (Ulva),brown(Saccharina) and?red (Grateloupia, Gelidium) macroalgae. Microbiome, 2023.