今天带来的是ISME上的佳作一篇：本研究通过宏基因组综合分析方法揭示了I.ramosa微生物广泛存在的代谢潜能、对应的丰富的微生物种类及功能冗余。一起来欣赏这篇用宏基因组genom-centric研究海绵微生物。

Characterizationofaspongemicrobiomeusinganintegrativegenome-centricapproach

用宏基因组genom-centric研究海绵微生物

作者：J.PamelaEngelberts,StevenJ.Robbins,JasperM.deGoeij,etal.

期刊：ISME

时间：.01.28

DOI:10./s---9

一、文章摘要

海洋中的海绵中通常寄居着多种且包括特定种类的微生物，这些微生物对宿主的健康非常重要。以前对海绵共生有机体的研究聚焦于其间的特殊联结上，但这只是群落功能的很小一部分。在此，我们对模式海绵物种Irciniaramosa中的微生物进行了分析，根据宏基因组数据组装到了个高质量MAGs，它们占了I.ramosa微生物的74%。这些微生物不仅覆盖了目前已公布的所有海绵共生微生物，还将共生古菌的多样性扩大了32%，共生细菌多样性扩大了41%。代谢重构结果显示多类微生物都涉及碳固定、维生素B合成、牛磺酸代谢、亚硫酸盐氧化和大部分的氮代谢步骤。通过获得海绵微生物的主要类群，我们能进一步的细致分析这些微生物的功能潜力。以前，重要功能如碳固定通常只在个别海绵有机体中存在，但实际上共生体中多种物种均有这些能力，而像氨氧化等其他重要代谢途径只存在于特殊的核心物种中。

二、实验设计

采集6个品种的Irciniaramosa，将海绵移入中型实验生态系统中培养，在移入时取约10cm2的样本（T0），在培养3个月（T3）和5个月（T5）时再次取样。提取样本DNA测序，18个样本先测了1.7G的数据，为获得T0样本的低丰度微生物，3个T0样本加测到平均20.6G的数据。

对原始数据进行质控、组装再Binning。对获得的MAGs进行注释分类，计算MAGs的占比及其相对丰度。

去掉低质量的MAGs，去重后剩下个MAGs，构建进化树。使用PFAM和KEGG数据库对MAGs进行注释。

三、实验结果

在3个时间点从6种海绵上取样，分析后共获得个MAGs，包括13个古菌和个细菌。这些MAGs包含平均±条编码序列，其中33.45±6.71%为假想蛋白。去重后获得的个MAGs中有6种古菌属于奇古菌门，剩下的个分类到了14个细菌门，包括变形菌、放线菌等。

1.IrciniidaeMAGs将共生古菌多样性扩大了32%，共生细菌扩大了41%

将已公布的95种海绵共生微生物基因组与经我们筛选的个MAGs（6种古菌，种细菌）一起构建进化树（图1），结果显示海绵微生物的古菌多样性扩大了31.71%，细菌多样性扩大了40.51%。

图1依据单拷贝marker基因构建的进化树

2.三条自养碳固定代谢途径

海绵通过过滤水体的有机碳来获取营养，而一些海绵可利用共生微生物来进行固碳或氧化甲烷。已知的原核自养固碳途径有六条，I.ramosaMAGs中有三条，相关微生物丰度在0.65%到5.98%之间。还原性柠檬酸循环的核心酶基因在5个MAGs菌（UBA科）中均存在，Nitrosopumilaceae中的5个MAGs参与3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环，编码卡尔文循环核心基因的MAGs有7个。而另外3条代谢通路，即Wood-Ljungdahl循环、3-羟基丙酸循环和二羧酸/4-羟基丁酸循环在共生体中是缺乏的。

图2代谢重构及微生物与宿主间的碳、氮、硫、维生素交换

3.奇古菌参与硝化作用的第一步

在营养缺乏的海洋，海绵排出氨为其共生微生物提供能量来源，创造了一个理想的生态位。氨单氧酶（amoABC）、羟胺脱氢酶（hao）和硝酸盐氧化还原酶（nxrAB）能将氨逐步氧化成羟胺、亚硝酸盐和硝酸盐。我们在4个奇古菌MAGs中发现了amoABC亚基（图2）。13个细菌MAGs含有疑似haos但亲缘关系较远的基因，推测它们不参加硝化但能解除羟胺毒害。I.ramosa中未发现氨氧化细菌，这都说明了奇古菌是唯一的氨氧化菌。另外还有17个MAGs可编码能将亚硝酸盐转化为硝酸盐nxrA和nxrB。

在I.ramosa中也发现了含有反硝化基因的细菌（图2）。例如有19个MAGs含有narGHI和napAB基因。一个Gemmatimonadota和18个γ变形菌MAGs能编码norB和norC，只有它们能催化一氧化氮变成一氧化二氮。所有MAGs均不含降解一氧化二氮的nosZ，说明这条通路并不完整。综上所述，I.ramosa微生物参与的氮代谢主要是帮助宿主清除含氮废物。

4.广泛存在的硫代谢潜能

牛磺酸是多种生物体中天然存在的化合物。很多海绵微生物能通过转运蛋白ABC（tauACB）利用牛磺酸，再通过牛磺酸加双氧酶（tauD）将其转化为亚硫酸盐。我们在9类共个MAGs都发现了tauD，同样tauACB也在22个MAGs中存在，说明利用宿主产生的牛磺酸的微生物很丰富。此外，只有6个γ变形菌MAGs能催化硫化物氧化成亚硫酸盐，而催化亚硫酸盐为硫酸盐的酶却存在于除了Thaumarchaeota等5个门的所有微生物中。催化硫酸盐还原成亚硫酸盐的基因在13个MAGs中也有发现。硫化物的不完全氧化会产生硫代硫酸盐，有7个MAGs能催化这个过程。以上结果说明硫代谢广泛存在于I.ramosa中，这对于宿主和微生物来说都是有益的。

5.合成6种必须维生素B的代谢潜能

维生素B及其辅酶因子对机体的核心代谢来说必不可少，但动物无法合成这些维生素，只能通过饮食或共生微生物来补充。I.ramosa中广泛存在合成B1、B2、B5、B6、B7、B12的微生物。18个样本中有13个存在丰富的能合成B1及B1运输体的微生物。除了Patescibacteria门，其他微生物均能合成B2并将其转化为功能辅酶。虽然能合成泛酸盐的只有Bdellovibrionota和Thaumarchaeota，但能合成B6、生物素及其运输体、B12的微生物却非常多。本研究表明，维生素B代谢途径并非单一海绵共生体特有，而是广泛存在的。

6.海绵微生物的分泌系统及类真核蛋白

共生微生物可经分泌系统与宿主交流，如微生物能通过针状蛋白复合体（III,IV,VI型）向宿主注入效应蛋白以调整细胞代谢。本研究中只有3个γ变形菌门MAGs能编码III型分泌系统的基因，包括2个假单胞菌目MAGs。可消除竞争微生物和注入有毒效应蛋白的IV型分泌系统也只有2个假单胞菌目MAGs能编码，这说明I.ramosa微生物并不通过针状分泌系统直接与宿主交流。而VI型分泌系统的存在增加了细菌间互作的可能性，或与假单胞菌内潜在的寄生/致病机制有关。

类真核蛋白也是微生物与宿主建立联系的工具。能介导蛋白互作的Ank重复蛋白（ARPs）在真核生物中很常见，但在原核生物中非常少。而海绵有机体中能避免宿主对共生微生物吞噬的ARPs含量丰富且活跃，其丰度占到I.ramosa所有编码蛋白基因的0.14%。同样能介导蛋白互作的WD40重复蛋白也是海绵微生物常见蛋白，40%的I.ramosaMAGs能编码，且该基因占比达0.08%。这说明了ARPs和WD40重复蛋白对于整个共生体稳定起着重要作用。当然，没有这2种蛋白的微生物一定有其他办法避免被宿主消化。

四、小结

目前对于海绵微生物基因组的研究比较匮乏。在此，我们利用宏基因组综合分析方法，发现海绵微生物普遍参与无机碳的固定、氮和硫的代谢、维生素合成等重要代谢途径。在对海绵核心微生物进行鉴定时还找到了唯一能氧化氨的奇古菌和唯一能氧化硫化物的γ变形菌类群。总之，本研究揭示了I.ramosa微生物广泛存在的代谢潜能、对应的丰富的微生物种类及功能冗余，这为以后进一步研究共生体功能及宿主健康关系提供了一个很好的平台。

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