ISME：海绵共生体揭示微生物间复杂互作

文摘 2024-11-11 11:10 瑞士

原文献信息：Garritano AN, Zhang Z, Jia Y, Allen MA, Hill LJ, Kuzhiumparambil U, Hinkley C, Raina J-B, Peixoto RS, Thomas T. Simple Porifera holobiont reveals complex interactions between the host, an archaeon, a bacterium, and a phage. The ISME Journal, 2024, 18(1): wrae197.

摘要：

海绵动物门（Porifera）作为一种模型生物，越来越多地被用于研究微生物与动物共生关系的生态和进化特征。然而，海绵通常携带复杂的微生物群落，这对理解其与微生物共生体的相互作用造成了阻碍。在此，我们描述了迄今为止发现的最简单的海绵共生体，包括泡沫海绵属的Aphrocallistes beatrix 和两个新发现的微生物共生体：一个自养氨氧化古菌和一个异养细菌。组学分析和代谢建模揭示了氨氧化古菌对海绵释放的氨的依赖，以推动初级生产，进而通过提供二羧酸盐富马酸支持细菌的生长。此外，通过噬菌体介导的古菌裂解似乎对克服细菌的维生素B₁₂营养缺乏症至关重要。这些发现表明，维生素B₁₂和二羧酸盐的交换可能是共生关系中的进化保守特征，因为这些相互作用也存在于自由生活的海洋细菌以及微生物与植物或硅藻之间。

主要内容：

泡沫海绵拥有一个由两种共生体主导的微生物群落

泡沫海绵的微生物群落非常简单，主要由一个古菌和一个细菌组成。通过基因组测序以及FISH分析，结果发现古菌和细菌细胞分布在海绵组织中，且古菌占主导地位。扫描电子显微镜进一步揭示了位于细胞外基质中的共生体。两个样品的古菌MAG高度相似，而细菌MAG之间存在转座子差异，可能表明基因组进化正在进行中。古菌MAG为Nitrosoabyssus spongiisocia，具有潜在的分子相互作用能力。细菌为Zeuxoniibacter abyssi，具有限制/修饰系统和CRISPRs。这些发现表明，泡沫海绵拥有一个由两种共生体主导的、结构简单的微生物群落，这为研究微生物与动物共生关系提供了重要模型。

共生古菌和细菌的代谢

共生古菌为化能自养生物，通过氧化铵进行碳固定并表达相关基因。共生细菌主要表达与牛磺酸、胆碱和肌酸降解相关的基因，这些物质在海绵中常见。共生细菌还能代谢DMSP，并通过表达的裂解途径生成二甲硫醚和丙烯酸。此外，共生细菌表达了C₄：二羧酸盐化合物的转运蛋白。六个转录组数据集中，大部分基因表达一致，但四个样品中C₄：二羧酸盐转运基因未表达，且核糖体合成基因下调，表明共生细菌在动态利用不同营养物质。这些发现通过代谢建模得到进一步探索。

两种共生菌之间的代谢相互作用及一种新型病毒的作用

为理解两种共生菌间的代谢相互作用，采用基于FBA的代谢模型。发现古菌需宿主提供额外氨进行化能自养生长。共生细菌无法自养，依赖潜在碳源如DMSP、肌酸等，并需要维生素B₁₂才能生长，可能由古菌合成并通过古菌裂解传递。随后，研究发现一种可能感染古菌的病毒Nitrosopumivirus cobalaminus，为古菌裂解提供依据。模拟显示，在5%裂解率下，共生古菌和细菌可稳定共存，古菌初级生产释放的富马酸成为共生细菌的主要碳源。提高裂解率至20%，古菌铵和氧吸收减少，共生细菌维生素B₁₂通量增加，生长限制缓解，乙酸产量增加，古菌可利用乙酸实现混合营养生长。模拟还表明，共生菌代谢可能有助于深海中活性氧的产生。这种双共生菌群模型具有独立于先前裂解事件的内在稳定性。

文中图表：

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0ODU0MTMwOA==&mid=2247490485&idx=1&sn=9e2f65e78dee6baf7d1a4041abd9435e

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