近日，南方科技大学海洋科学与工程系范陆助理教授团队与澳大利亚新南威尔士大学生物、地球与环境科学学院Torsten Thomas教授团队合作，在海洋微生物共生体系的生态和演化研究中取得重要进展，揭示了澳大利亚近海海绵共生体群体遗传多样性的产生过程，以及在菌株和亚菌株水平的解构现象。研究成果以“Decoupling of strain- and intrastrain-level interactions of microbiomes in a sponge holobiont”为题在Nature Communications期刊上发表。

海洋共生体或“全生物体”（Holobionts）是由宿主动物或植物及相关的共生微生物，包括真核微生物、细菌、古菌和病毒群组成的生态和进化单元。海洋共生体如典型的珊瑚、海绵、海藻等共生体，蕴含了极大的遗传和功能多样性，是海洋生态系统平衡的重要支柱。研究共生微生物组如何在海洋共生体个体内部或个体之间产生遗传变异，对于理解海洋动植物的健康维持、生态功能和进化机制至关重要。目前尚不清楚哪些特定因素导致海洋共生体间遗传多样性的群体共性和个体特性。

图1.海绵个体中共生体成员的类系统发育共生（Phylosymbiosis）模式以及核苷酸多样性的重叠

本研究以分布广泛且具有生态重要性的澳大利亚近海海绵动物Cymbastela concentrica为研究对象，应用牛津纳米孔测序、高通量染色体构象捕获（HiC）、宏基因组学和单核苷酸变异分析，研究海绵种群中共生菌（单细胞藻类、细菌和古菌）及其病毒的群落组织、相互作用和共同进化的模式。结果表明，海绵动物宿主对共生微生物组的菌株分类水平群落组织有显著影响，表现出类系统发育共生（Phylosymbiosis）模式。但在亚菌株分类水平上，海绵个体之间核苷酸多样性的大量重叠，表明微生物细胞和病毒颗粒在栖息地海绵种群中发生了频繁的水平交换。

图2. 共生菌及其病毒之间的免疫互作和基因组重组驱动的菌株内遗传变异

同时，海绵个体中共生菌及其病毒频繁地免疫-逃避竞争，可能将病毒-宿主共同进化限制在亚菌株水平。研究人员发现病毒-宿主互作至少以三种机制产生突变从而增加海绵个体间的群体遗传差异：1.为逃避宿主限制性内切酶消化，病毒基因组在酶切位点识别区域产生的随机点突变；2.不同海绵个体间细菌和古菌宿主应对病毒攻击产生的CRISPR免疫记忆差异；3.病毒与宿主频繁的基因组片段交换。这些过程驱动了海绵共生微生物组个体特异性的遗传变异。 

研究结果表明，菌株水平和亚菌株水平互作的解构是海绵共生体遗传多样性产生的关键因素，这为理解海洋共生体的生态和进化过程提供了一个结构化的理论模型。这不仅有助于推动海洋生物健康与生态功能的研究，还为保护海洋生态系统及可持续发展提供了科学依据。 

南方科技大学为论文第一单位，范陆助理教授和新南威尔士大学Torsten Thomas教授为通讯作者，课题组前博士后王文秀博士（现为宁波东方理工大学（暂名）研究助理教授）为论文第一作者。新南威尔士大学宋维志博士和Marwan E Majzoub，香港中文大学（深圳）研究院冯晓远博士，南方科技大学徐步博士、陶建昌博士和朱元清教授，上海交通大学李志勇教授，香港科技大学钱培元教授以及澳大利亚南极分部Nicole S Webster教授均为本研究作出重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金等项目经费的支持。

论文连接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52464-6

供稿：海洋科学与工程系

通讯员：颜莎

编辑：任奕霏