翻译丨骆锦威

编辑丨JinTao.Li

 导读

本文较为全面地阐述了珊瑚微生物组的结构功能及其与环境的相互关系。同时通过热点研究问题的介绍，进一步揭示珊瑚与其相关微生物群落中复杂的相互作用，对未来的研究方向具有指导性意义。全文约5300字。

原文信息

标题：Insights into the Coral Microbiome: Underpinning the Health and Resilience of Reef Ecosystems

期刊：Annual Review of Microbiology

作者：David Bourne, Kathleen Morrow, Nicole Webster

时间：2016-7-8

DOI：https://doi.org/10.1146/annurev-micro-102215-095440

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 摘要 

珊瑚（虫）是生态系统的基础工程师，其建造的大型、复杂的珊瑚礁庇护着各种各样的海洋生物。珊瑚生态系统保持健康的一个关键是其与微生物的动态关系。珊瑚与其共生微生物群落统称为珊瑚共生功能体(Coral Holobiont)，包含了光合甲藻(Photosynthetic Dinoflagellates; Symbiodinium spp.)以及与其保持长期互利共生关系的细菌、古菌、真菌、原生动物以及病毒等一系列微生物。这种珊瑚共生功能体的基因组被称为共生功能基因组(Hologenome)，共生功能基因组中基因之间的相互作用最终决定了珊瑚的表型。珊瑚共生功能体内的生态、寄主和环境因素共同塑造了微生物共生体的多样性和分布。在本文，研究人员整合了珊瑚微生物共生体的相关知识，探讨了有利于珊瑚共生功能体适合度的生理途径，并指出珊瑚共生功能体稳态的潜在机制。本文从珊瑚共生功能体的研究现状、结构组成、物质循环以及环境影响四个方面进行了综述。

 珊瑚微生物群落的背景与研究现状 

背景介绍

珊瑚生态系统为沿海国家提供了丰富的渔业及旅游资源，每年有超过5亿人从珊瑚生态系统中获益。尽管珊瑚生态系统仅覆盖约28万平方米的面积，它却养育了大约四分之一的已知的海洋物种。由于恶劣的水质、粗放的陆地管理、过度捕捞以及全球气候变化，珊瑚生态系统正遭受着重大的威胁。

珊瑚共生微生物是了解珊瑚宿主的环境适应能力、调节能力和生理状态的重要因素。最为人熟知的共生微生物是共生甲藻属(Symbiodinium spp.)。这种高密度的光合共生微生物生活在珊瑚的内胚层，能给珊瑚提供超过90%的营养。

据估计，珊瑚组织中每平方厘米约有1×10²到1×10⁶个微生物，其中包括共栖、互利共生和致病的微生物。过去的研究中发现：一类珊瑚微生物群落往往生活在一个特定的珊瑚物种。因此，珊瑚微生物群落在不同的生物地理分布以及不同的环境条件下均具有高度的稳定性。然而新的研究发现：珊瑚微生物群落会受到诸多因素的影响，其中包括宿主的生理条件、组织部位、所处生命周期以及外界环境条件。

研究现状-珊瑚微生物种群

在珊瑚共生功能体中，依然存在着大量的未知功能的微生物种群。这里简单讨论其中的四类：

1）古菌（Archaea）。有关古菌在珊瑚微生物中的作用研究极少。曾有报导指出泉古菌（Crenarchaeota）能促进氮元素循环和氨根离子的清除。

2）顶复门原虫（Apicomplexan）。顶复门原虫是一种寄生性原生动物。最新的研究发现顶复门原虫广泛分布在健康的珊瑚丛中，同时它们与珊瑚幼虫形成内共生合作关系。因此顶复门原虫可能是一类互利共生微生物。

3）纤毛虫（Ciliate）。纤毛虫以细菌为食，自上而下地控制珊瑚微生物种群的变化，被认为是一类机会主义者。它与珊瑚的一些疾病有关，例如在印度洋-太平洋海域珊瑚礁频繁出现的骨骼侵蚀带症状（Skeleton-Eroding Band）和褐色带症状（Brown Band）。对于捕食性的微生物如何影响珊瑚共生功能体的结构功能与稳定性，尚有待研究。

4）类病毒颗粒（Virus-like particle）。类病毒体被广泛发现于多种造礁石珊瑚。依据最近的宏基因组学分析发现具有高度多样性的DNA和RNA病毒与珊瑚有关。这些病毒与珊瑚微生物群落的具体作用尚不清楚，但它们有可能对塑造原核微生物群落起着重要的作用。在环境压力下，病毒与珊瑚白化以及其他疾病有关。

研究现状-共生作用

为了获得共生微生物，年幼的珊瑚往往会使用垂直传递（vertical transmission；从亲本继承共生微生物），水平传递（horizontal transmission；从周围环境中获取微生物）或者两者配合的策略。早期的共生微生物可能会为珊瑚幼虫提供必要的抗生素和稳定的营养来源。珊瑚能通过有性或无性生殖进行繁殖，不同的繁殖方式以何种传递方式为主有待研究。

研究表明，化学趋向性对于珊瑚与微生物之间的信息交流和微生物群落的稳定性起关键作用。当共生微生物通过化学信号找到宿主，模式识别的分子（MAMPs）与其受体（PRRs）的结合将会启动清除病原体的信号通路或与宿主形成互惠互利的共生关系。微生物膜表面的识别分子包含肽聚糖，脂多糖和凝集素。凝集素能被用来细胞识别，区分不同种类的微生物（例如共生甲藻和致病性的弧菌）。然而，大多数的分子机理尚不清楚，需要更多的探究。【注释：MAMPs: Microbe-associated molecular patterns; PRRs: pattern-recognition receptors】

 珊瑚的结构组成及物质循环 

结构组成

图1-珊瑚共生功能体的组织结构. 

概念释义：表面黏液层（Surface mucous layer），外皮层（Epidermis），中胶层（Mesoglea），内胚层（Gastrodermis），肠腔（Gastric cavity），鳞状上皮层（Calicodermis），骨架（Skeleton）,珊瑚相关的微生物聚集体（CAMAs：coral-associated microbial aggregates），刺丝（Nematocysts） 【注释：Calicodermis没有对应的中文翻译，译者根据该组织结构特点直译。Calicodermis: a thin squamous epithelial layer of cells in stony (hard) corals which deposits the white calcium carbonate skeleton.】

如图1所示，依据微生物分布特点大致划分四类珊瑚组织结构：

1）表面黏液层。表面黏液层由带有酶活性的多肽和硫化寡聚糖的糖蛋白组成。每立方厘米大概有100万到1亿个的微生物。表面黏液层能为珊瑚争夺营养优势和避免太阳紫外辐射的伤害。致病性细菌会通过黏液层释放的化学分子靶向特定的珊瑚物种。黏液层对珊瑚体内的营养循环贡献不多，但对于珊瑚健康尤其是清除表面沉积物和机会病原体以及重新补充共生微生物具有重要作用。

2）上皮组织和内胚组织。上皮组织和内胚组织中的共生微生物往往具有高度的组织特异性。研究发现，跨不同地理区域的24种珊瑚物种的健康组织中含有少量的微生物聚集体（长度约为20微米）。上皮层与内胚层交界处也发现了河氏菌（Endozoicomonas）的囊状聚集体。这些微生物聚集体（aggregates）与宿主的共生关系需要进一步的探究。

3）肠腔。肠腔是一个初级消化循环系统，用于消化浮游生物和生物碎屑。尽管珊瑚的异养特性被广泛报导，但是关于珊瑚肠腔内的消化吸收过程以及肠道微生物的相互作用实际了解很少。丛生盔形珊瑚（Galaxea fascicularis）的肠腔一直维持极低的氧气水平以及高浓度的无机营养物和维生素B12，这样的化学环境对于宿主和内共生微生物都是极为重要的。同时研究发现：珊瑚可以将包裹了营养颗粒的有机黏液运送至肠腔，以维持肠道微生物的共生稳定性。

4）骨架。珊瑚的碳酸钙骨架为丝状海藻，细菌和真菌提供了栖息地，它们被认为是珊瑚共生功能体中的一部分。例如，绿藻门嚎壳藻（Ostreobium）能将光合产物转运至白化的珊瑚组织中来维持珊瑚的温度耐受时间。相反，有些岩生细菌会引起疾病而一些真菌能在珊瑚骨架上打孔，寄生于海藻体内以及分解和利用骨架中的有机矿物质。

物质循环

图2-珊瑚与微生物形成的物质循环. 

概念释义：二甲基硫（DMS: dimethylsulphide），二甲基硫丙酸（DMSP: dimethylsulfoniopropionate）; 溶解有机磷（DOP: dissolved organic phosphorus）; 正磷酸盐（Pi: orthophosphate）

如图2所示，珊瑚与微生物形成的碳氮硫磷等物质循环：

1）碳循环。普遍认为，健康的造礁石珊瑚能够通过捕食浮游动物来满足60%的能量需求和（或）通过共生甲藻的光合作用固定的有机碳来满足高达100%的能量需求。然而，这样的能量供应方式在珊瑚白化现象中发生剧烈的变化。功能基因分析研究表明，珊瑚中的细菌和古菌内部也存在固碳和降解碳的作用。其中固碳过程包括卡尔文循环（Calvin cycle），还原性乙酰辅酶A途径（Reductive acetyl-CoA pathway）和逆向三羧酸循环（Reverse Krebs cycle）。宏基因组学发现在共生微生物体内含有大量与糖和蛋白质代谢以及转运相关的基因。尽管如此，共生微生物之间共同参与物质代谢循环的直接证据依然缺少。因此，更好地重构分析微生物基因组，更好地定义珊瑚共生功能体的生理机能以及更好地找到碳代谢的相互依赖过程将成为重要的研究课题。

2）氮循环。珊瑚生态系统中氮元素普遍缺乏，因此珊瑚进化出了一些策略从有机氮和无机氮中获取所需的氮源。例如，共生甲藻将一些无机氮转化为可利用的有机氮源。然而高浓度的氮源也会使珊瑚-共生甲藻关系失衡。共生系统中，珊瑚微生物主要通过固氮作用，硝化作用和反硝化作用来调节氮元素循环。

固氮生物（Diazotroph，能够固定氮气的细菌和古菌的统称）可以为珊瑚共生功能体提供氨态氮源。然而，固氮作用依靠极为容易被氧气失活的固氮酶，因此在珊瑚共生功能体内需要独特的无氧环境来进行细菌的固氮反应。硝化作用是通过硝化细菌和古菌将氨分子氧化生成亚硝酸根再进一步生成硝酸根。尽管硝化细菌和古菌在珊瑚中数量很大，但是它们与珊瑚的共生关系依然不清楚。具有反消化作用的微生物也有分布在珊瑚微生物群落中，通过硝化和反硝化作用的配合，维持氮元素水平的稳态。

3）硫循环。硫是含硫蛋白质，辅酶和金属蛋白的关键组成元素。在珊瑚共生功能体中，大部分的含硫物质通过同化作用生成半胱氨酸和甲硫氨酸，进而转化为高度稳定和可溶的二甲基硫丙酸（DMSP）。在海水和大气物质交换的过程中，DMSP是一种极为重要的化合物。二甲基硫丙酸可以降解产生二甲基硫（DMS），后者具有运送硫酸盐气溶胶至海洋边界层的功能。珊瑚系统是海洋环境中DMSP的最大生产者之一，而共生甲藻在其中起主要作用。研究表明，共生微生物中有不少种类的细菌具有对DMSP的代谢功能；一些细菌（例如玫瑰菌属Roseobacter spp.）对DMSP具有化学趋向性。因此，早期珊瑚幼虫体内产生的DMSP有助于吸引共生微生物。然而，DMSP分子对于珊瑚共生功能体的复杂作用需要更多的研究。

在珊瑚体内，谷胱甘肽是另一种可选择的有机硫源。硫酸盐还原菌（SRB: Sulphate-reducing bacteria）可以通过无氧呼吸将海水中的硫酸盐还原为硫化氢。岩生硫还原菌与有毒微环境的形成以及珊瑚黑带病（Black band disease）密切相关。尽管通过基因组分析得到相关推测，但对珊瑚共生功能体内硫还原菌的活性和功能还缺乏直接的证据。

4）其他元素循环。磷也是海洋生产力的关键元素，与碳氮循环有着密切的关系。最具生物可利用性的磷是正磷酸盐（Pi）。有机磷（例如磷酸酯）可以被共生微生物利用来给珊瑚提供磷源。而弧菌属细菌被发现含有磷酸酯降解的基因途径。磷酸酯的降解会引起生物可利用磷源的减少，造成珊瑚缺磷和导致珊瑚白化概率的增加。

其他元素如金属微量元素也是生物体重要的元素。珊瑚体通过捕食来获取微量元素以及其他必需物质例如多不饱和脂肪酸，甾醇，胆固醇和金属辅因子。共生微生物也能为珊瑚体提供这些必要的营养物质和一些必需维生素如B12来维持珊瑚共生功能体的稳态。

 环境压力对珊瑚微生物种群的影响 

1）温度因素

海水升温将破坏大多数的珊瑚与共生甲藻的共生关系，导致大量的共生甲藻从珊瑚体内排出，引起珊瑚白化。地中海珊瑚（Oculina patagonica）感染弧菌后也会出现白化现象。大多数研究表明，珊瑚微生物对于温度变化非常敏感，升温容易将珊瑚共生功能体从健康稳定的状态转变为机会型微生物或潜在致病菌主导的状态。共生甲藻感染前病毒（Provirus）也是另一种导致珊瑚白化的可能因素，有待进一步的证实。总之，明确珊瑚微生物（及病毒）对于白化现象的作用是急需解决的问题。

2）海水酸化

海水酸化对于珊瑚骨架的影响有大量的研究，然而海水酸化对于珊瑚微生物群落的效应相对少有探究。研究表明，海水酸化将基础性地改变全球生物地球化学循环，可能会促进初级生产和固氮作用。不同的珊瑚种类对于海水酸碱度的敏感程度不同。有些珊瑚物种在酸性提高后出现共生微生物的减少和机会型致病微生物的增加。有趣的是，有些海绵物种在酸性提高后将增强与蓝细菌的光合共生关系，这将会成为与珊瑚竞争的有利因素。

3）底泥和营养

富含有机物的底泥会促进异养微生物的繁殖，从而形成缺氧和毒性硫化物的高浓度富集，导致珊瑚窒息死亡。研究发现，人类打捞行为产生的底泥漂浮物将增加珊瑚的患病概率。其中机理尚不清楚，可能是漂浮物遮蔽阳光，使珊瑚的能量利用效率减少，导致珊瑚整体的免疫力下降，造成患病概率增加。

4）其他累积效应

过度捕捞以及水体富营养化也是影响珊瑚生态健康的重要因素。过度捕捞将造成植食性鱼类减少导致海藻大量繁殖，而水体富营养化将引起异养微生物的大量繁殖，引入更多的机会病原体，危害珊瑚健康。历时三年的一项野外研究发现，在持续性温度压力的影响下，人类的捕捞和水体富营养化将进一步削弱珊瑚生态系统的恢复能力导致更高的珊瑚死亡率。

综上，如下图所归纳，不同类型的环境压力的持续性累积将使珊瑚共生功能体从健康状态转向脆弱和疾病状态，甚至导致不可恢复的死亡。

图3-环境压力与微生物群落变化对珊瑚共生稳定性的影响. 

（顶图）持续性的环境压力将优势物种从珊瑚群落（a状态）转变为大型海藻和海绵（d状态）。b，c状态为转变阈值，标志着环境压力的累积程度，也标志着珊瑚的恢复能力。

（底图）持续性的环境压力将改变互利共生为主导的微生物群落结构，导致物种多样性的减少，微生物群落的恢复能力减弱，产生更多的疾病和损伤。

 珊瑚微生物组的研究方法 

通过大规模的合作以及多学科交叉的研究手段，对珊瑚微生物组的研究将成为新的科学前沿。如上图所示，我们可以通过基因组，转录组和代谢组等组学方法，研究理解不同微生物种群的功能，以及进行更明确的分类；通过显微镜学（如原位杂交技术和透射电镜技术），可以研究微生物群落的共生微结构和空间分布；通过研究宿主在不同的环境压力和不同的健康状态下的适应能力和生理反应，揭示珊瑚共生功能体与环境的相互关系。

图4-珊瑚微生物组的研究方法和手段. 

译者总结

珊瑚微生物组有许多值得研究的前沿科学问题。译者以为，把珊瑚与共生微生物看作一个珊瑚共生功能体，并将其表型和共生功能基因组作为一个整体研究是必要的，就像人类微生物计划（Human Microbiome Project），通过研究人类与肠道菌群的相互作用，进一步揭示人类健康与肠道微环境的重要关系。而珊瑚与其微生物群落的相互作用对珊瑚的健康稳定更为重要，译者认为结合新的研究方法和手段，人类将会对珊瑚生态系统有全新且全面的认识。

译者简介

骆锦威，南方科技大学生物科学本科生，研究兴趣：量子信息，理论生物物理，感知和神经生物学。欢迎交流探讨学术：luojw@mail.sustech.edu.cn。

END

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