郭戰(zhàn)勝 陳雯靜 常麗榮 梁振林 施坤濤

(1. 山東大學(xué)海洋學(xué)院, 威海 264200; 2. 威海長(zhǎng)青海洋科技股份有限公司, 榮成 264300;3. 威海市環(huán)翠區(qū)海洋發(fā)展研究中心, 威海 264200)

馬尾藻屬(Sargassum)是隸屬于棕色藻門(mén)Ochrophyta、褐藻綱Phaeophyceae、墨角藻目Fucales、馬尾藻科Sargassaceae的一類(lèi)大型底棲海藻, 廣泛分布于世界范圍內(nèi)溫帶和熱帶海域。馬尾藻屬種類(lèi)繁多, 據(jù)AlgaeBase網(wǎng)站記錄, 全球種類(lèi)超過(guò)900種(包括亞種、變種和變型)。我國(guó)海域報(bào)道了131種馬尾藻, 主要分布于黃海、東海和南海, 其物種多樣性和地理分布呈現(xiàn)出“北少南多”的特點(diǎn)[1]。其中, 我國(guó)黃海海域潮間帶常見(jiàn)的馬尾藻主要有鼠尾藻(Sargassum thunbergii)、海黍子(S.muticum)、海蒿子(S.pallidum)和銅藻(S.horneri)。

馬尾藻作為海藻場(chǎng)的重要支撐種, 構(gòu)建了獨(dú)特的馬尾藻場(chǎng)生境系統(tǒng), 不僅為魚(yú)類(lèi)等海洋動(dòng)物提供了理想的棲息地、庇護(hù)所和索餌場(chǎng), 維持較高的海洋生物多樣性, 還具有營(yíng)養(yǎng)鹽調(diào)控(如吸收氮、磷和碳等生源要素)的生態(tài)功能, 對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用[2,3]。此外, 馬尾藻是一類(lèi)具有極大開(kāi)發(fā)價(jià)值的經(jīng)濟(jì)藻類(lèi), 藻體本身或提取物是食品、醫(yī)藥、工業(yè)和飼料等行業(yè)的重要原料[4—6]。近年來(lái), 在全球氣候變化、海洋酸化等自然和人為多重因素影響下, 馬尾藻資源面臨一定程度的威脅, 開(kāi)展馬尾藻生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)研究、構(gòu)建馬尾藻資源修復(fù)技術(shù)及其生態(tài)工程應(yīng)用是目前研究的熱點(diǎn)[2,7—10]。

但是, 目前對(duì)于馬尾藻的基礎(chǔ)生態(tài)研究主要從宏觀層面入手, 鮮有涉及微觀生態(tài)層面。大型海藻及其表面附著的微生物形成了緊密的互利共生或者拮抗作用, 海藻的健康生長(zhǎng)、代謝功能和物質(zhì)循環(huán)等離不開(kāi)微生物的作用, 而藻體周?chē)纬傻摹霸咫H微環(huán)境”又為微生物提供了附著基質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)供給[11,12]。如果缺乏考慮與藻際微生物的相互作用, 大型海藻在海洋生態(tài)系統(tǒng)中無(wú)法發(fā)揮最佳功能[13]。研究表明, 大型海藻的種類(lèi)、海藻的不同部位、生活史的不同階段和健康狀態(tài)等均會(huì)影響附著微生物的組成與結(jié)構(gòu), 呈現(xiàn)出宿主特異性(Host-specific)[14—17]。

隨著國(guó)家對(duì)馬尾藻海藻場(chǎng)構(gòu)建的重視, 以及微生物高通量測(cè)序技術(shù)的不斷進(jìn)步, 馬尾藻附生菌群的相關(guān)研究也在逐步深入開(kāi)展[18—24], 而目前大部分的研究主要集中在某一種馬尾藻或者大空間尺度不同種類(lèi)馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)的比較, 鮮有對(duì)同一生態(tài)位不同馬尾藻之間附生菌群多樣性的比較研究?；谇捌谡n題組對(duì)靖子灣潮間帶海藻資源調(diào)查結(jié)果, 我們發(fā)現(xiàn)該區(qū)域生長(zhǎng)有黃海海域分布的4種優(yōu)勢(shì)馬尾藻, 包括銅藻、海蒿子、海黍子和鼠尾藻, 4種近緣藻類(lèi)生態(tài)位重疊, 其附生菌群是否存在差異有待于研究。本研究利用高通量測(cè)序?qū)?種馬尾藻的附生菌群多樣性、群落結(jié)構(gòu)組成和生態(tài)功能展開(kāi)分析, 旨在為深入了解馬尾藻的生態(tài)作用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本采集

2023年 3月 3日, 在山東省靖子灣潮間帶(37°33′19″N, 122°7′10″E)采集海黍子(S.muticum, 縮寫(xiě)為SM)、海蒿子(S.pallidum, SP)、鼠尾藻(S.thunbergii, ST)和銅藻(S.horneri, SH) 4種馬尾藻, 在采集過(guò)程中保持馬尾藻藻體結(jié)構(gòu)的完整性, 包括固著器、主枝、葉和氣囊。藻體經(jīng)無(wú)菌海水沖洗, 以去除表面游離微生物, 用無(wú)菌棉簽擦拭藻體表面獲取大型藻類(lèi)附生菌群。同時(shí), 采集海藻周?chē)Ｋ?W)1000 mL用于實(shí)驗(yàn)對(duì)照, 海水經(jīng)直徑為0.22 μm的微孔濾膜抽濾, 獲得海水微生物樣本。本研究中藻類(lèi)和海水樣本1式3份, 所有樣本經(jīng)液氮速凍后置于-80℃超低溫冰箱保存。

1.2 DNA 提取、16S rRNA 基因擴(kuò)增和高通量測(cè)序

使 用 CTAB 法(Cetyltrimethylammonium Bromide)提取4種馬尾藻和海水樣本的基因組DNA。使用細(xì)菌通用引物338F (5′-ACTCCTACGGGAGG CAGCAG-3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWT CTAAT-3′)擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因V3—V4高變區(qū)域(Hypervariable Regions)。擴(kuò)增體系為30 μL, 包括15 μL的 Phusion?High-Fidelity PCR Master Mix(New England Biolabs)、0.25 μL正向和反向引物(0.2 μmol/L)、10 μL的基因組DNA模板(1 ng/μL)和4.5 μL的ddH2O。PCR擴(kuò)增條件為: 98℃預(yù)變性1min; 98℃變性10s, 50℃退火30s, 72℃延伸30s, 共30個(gè)循環(huán); 最后72℃延伸 5min。PCR產(chǎn)物經(jīng)2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)合格后使用TianGen通用型DNA純化回收試劑盒回收產(chǎn)物。使用 NEB Next?UltraTMⅡ FS DNA Library Prep Kit建庫(kù)試劑盒(New England Biolabs)構(gòu)建文庫(kù), 經(jīng)過(guò)Qubit和 Q-PCR定量和檢測(cè)合格后采用北京諾禾致源科技股份有限公司的NovaSeq6000測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行 PE250測(cè)序。

在測(cè)序結(jié)束后, 截去Barcode序列和引物序列后使用FLASH軟件(V. 1.2.11)進(jìn)行雙端序列拼接[25]。經(jīng)flasp軟件(V. 0.23.1)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)控后[26], 序列與Sliva物種注釋數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比檢測(cè)去除嵌合體序列, 獲得有效數(shù)據(jù)(Effective Tags)。使用QIIME2軟件(V.QIIME2-202006)中的DADA2模塊對(duì)有效數(shù)據(jù)序列進(jìn)行降噪, 并過(guò)濾掉豐度小于5的序列, 獲得ASVs(Amplicon Sequence Variants, 擴(kuò)增序列變異)及特征表[27]。使用QIIME2軟件中的classify-sklearn模塊將得到的ASVs與Sliva 138.1數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)得到每個(gè)ASV的物種注釋信息, 并將確定為葉綠體(Chloroplasts)、線粒體(Mitochondria)和真核生物(Eukaryotes)的序列刪除。各樣本數(shù)據(jù)經(jīng)均一化處理后用于后續(xù)分析。

1.3 測(cè)序數(shù)據(jù)處理

本研究利用QIIME2計(jì)算馬尾藻附生菌群的α多樣性指數(shù)(包括Shannon指數(shù)和Chao1指數(shù))。利用R軟件(V. 2.15.3)進(jìn)行β多樣性數(shù)據(jù)分析, 基于Bray-Curtis距離矩陣進(jìn)行無(wú)度量多維標(biāo)定法分析(Non-Metric Multi-Dimensional Scaling, NMDS), 對(duì)4種馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)差異可視化, 并通過(guò)置換多元方差分析(Permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA)分析組間群落結(jié)構(gòu)差異性是否顯著。4種馬尾藻組間微生物顯著差異物種由LEfSe軟件完成, LDA Score閾值默認(rèn)為4.0[28]; 并通過(guò)MetaStat方法進(jìn)一步分析不同馬尾藻組間在科水平上的物種顯著性差異。利用Tax4Fun軟件對(duì)馬尾藻附生菌群進(jìn)行功能預(yù)測(cè)。微生物群落Venn圖、相對(duì)豐度環(huán)狀圖和NMDS分析圖在微科盟-生科云在線平臺(tái)(https://www.bioincloud.tech/)繪制。

2 結(jié)果

2.1 四種馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)多樣性分析

利用16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù), 4種馬尾藻和對(duì)照組海水的15個(gè)樣本共獲得1925625條序列, 經(jīng)過(guò)拼接、質(zhì)控、過(guò)濾嵌合體序列之后獲得1672824條高質(zhì)量序列, 每個(gè)樣本有效序列數(shù)目為111521.6±15935.17。各樣本的測(cè)序覆蓋度均超過(guò)99.50%, 說(shuō)明測(cè)序深度能夠很大程度上反映各樣本微生物的真實(shí)情況。經(jīng)過(guò)物種注釋, 15個(gè)樣本共獲得8793ASVs,其中對(duì)照組海水樣本ASVs總數(shù)目和特有ASVs均最多, 4種馬尾藻中ST樣本ASVs數(shù)目最多, SH樣本最少(圖1c)。微生物群落的多樣性和物種豐富度通過(guò)Shannon指數(shù)和Chao1指數(shù)來(lái)表征(圖1a—b)。海水樣本微生物群落多樣性和豐富度明顯高于4種馬尾藻, SH和SM樣本的Shannon指數(shù)均顯著小于ST (P＜0.05), SP和ST樣本的Chao1指數(shù)顯著大于SH(P＜0.05), 說(shuō)明SH樣本的微生物群落多樣性和豐度均最低。

圖1 四種馬尾藻附生菌群α多樣性(a—b), 韋恩圖(c)及基于Bray-Curtis距離的NMDS分析(d)Fig. 1 Alpha diversity indices (a-b), Venn diagram (c) of epiphytic microbial community on four gulfweeds and NMDS analysis based on Bray-Curtis distances (d)

基于Bray-Curtis距離對(duì)馬尾藻樣本開(kāi)展NMDS分析, 結(jié)果顯示除SH樣本分布比較離散外, 其他種類(lèi)樣本明顯聚集, 同時(shí)馬尾藻樣本與海水樣本距離較遠(yuǎn), 說(shuō)明馬尾藻附生菌群與海水游離菌群存在明顯差異(圖1d)。PERMANOVA分析進(jìn)一步比較4種馬尾藻組間微生物群落結(jié)構(gòu)差異性是否顯著, 結(jié)果顯示不同組間P值均大于0.05, 說(shuō)明組間微生物群落不存在顯著性差異(P＞0.05)。

2.2 四種馬尾藻群落結(jié)構(gòu)組成

通過(guò)與Sliva數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比和物種注釋, 馬尾藻和海水樣本共檢測(cè)出58個(gè)門(mén)、123個(gè)綱、311個(gè)目、513個(gè)科和1015個(gè)屬的微生物種類(lèi)。在門(mén)水平上,4種馬尾藻和海水樣本微生物群落結(jié)構(gòu)組成相似,變形菌門(mén)(Proteobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidota)為主要優(yōu)勢(shì)菌門(mén), 相對(duì)豐度為80.39%—94.54% (圖2a)。藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteriota)、彎曲桿菌門(mén)(Campilobacterota)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobiota)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteriota)和泉古菌門(mén)(Crenarchaeota)在部分樣本中相對(duì)豐度＞1%。酸桿菌門(mén)、綠灣菌門(mén)(Chloroflexi)和泉古菌門(mén)在海水樣本中富集, 相對(duì)豐度分別為2.20%、0.80%和1.74%, 而SM和SP樣本沒(méi)有檢測(cè)出酸桿菌門(mén)和泉古菌門(mén), SP和SH沒(méi)有檢測(cè)出綠灣菌門(mén), 相對(duì)豐度均為0。

圖2 基于門(mén)(a)和屬(b)水平的微生物群落結(jié)構(gòu)組成Fig. 2 The composition of the microbial community at the level of phylum (a) and genus (b)

在屬水平上, 4種馬尾藻和海水樣本微生物群落結(jié)構(gòu)組成存在明顯差異, 呈現(xiàn)出宿主特異性(圖2b)。Yoonia-Loktanella(2.46%—12.10%)、Rikenellaceae_RC9_gut_group(2.54%—7.02%)和UCG-005(2.84%—7.96%)為4種馬尾藻樣本優(yōu)勢(shì)菌屬。不同馬尾藻絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬存在差異, 例如:Yoonia-Loktanella為SM和SH樣本絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬, 相對(duì)豐度分別為12.10%和11.71%; SP和ST樣本的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬分別為UCG-005(7.96%)和Rikenellaceae_RC9_gut_group(6.63%)。此外, 某些菌屬呈現(xiàn)出宿主特異性,Acaryochloris_MBIC11017和氣微菌屬(Aeromicrobium)為SM和SP樣本特有菌屬,Clade_Ia(SAR11)為SH和W樣本特有菌屬, 相對(duì)豐度高達(dá)10.31%和13.42%; 寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas)為ST樣本特有菌屬(2.65%)。

為了進(jìn)一步探究不同種類(lèi)馬尾藻附生菌群的結(jié)構(gòu)組成, 選擇相對(duì)豐度前10的ASVs進(jìn)行分析(表1)。4種馬尾藻樣本相對(duì)豐度前10ASVs在物種間缺乏普遍性, 呈現(xiàn)出一定的宿主特異性。除了ASV7在SM、SP和ST樣本中的相對(duì)豐度均為前10外, 其他ASVs基本為宿主特有。基于科水平組成上也存在明顯差異, 例如: SM樣本相對(duì)豐度前10ASVs主要隸屬于紅桿菌科(Rhodobacteraceae)、黃桿菌科(Flavobacteriaceae)、根瘤菌科(Rhizobiaceae)等, 而紅桿菌科、Clade_Ⅰ、硫發(fā)菌科(Thiotrichaceae)等在SH樣本中富集。

2.3 組間差異性分析

為了進(jìn)一步揭示4種馬尾藻樣本微生物群落結(jié)構(gòu)組成差異, 利用LEfSe統(tǒng)計(jì)具有顯著性差異的生物標(biāo)志物(Biomarkers; 圖3)。本研究共識(shí)別出18個(gè)Biomarkers, 其中W、SH、SM和ST樣本分別有9、4、3和2個(gè)Biomarkers。海水中游離菌群結(jié)構(gòu)與馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)存在明顯差異, 導(dǎo)致海水樣本的Biomarkers數(shù)量最多。SH樣本中富含Peptostreptococcales-Tissierellales和疣微菌綱Verrucomicrobiae(疣微菌目Verrucomicrobiales和紅豆杉科Rubritaleaceae); SM樣本中的藍(lán)細(xì)菌綱Cyanobacteriia(藍(lán)細(xì)菌目Cyanobacteriales和異球藻科Xenococcaceae)相對(duì)豐度顯著高于其他樣本組; 而ST樣本富含顆粒狀球菌科(Granulosicoccaceae)?；诳扑降腗etaStat分析顯示4種馬尾藻樣本組間微生物群落差異物種主要集中在SM與其他3種馬尾藻樣本, SM-SH、SM-SP和SM-ST分別有15個(gè)、29個(gè)和28個(gè)科的物種相對(duì)豐度存在顯著性差異(P＜0.05)。

圖3 LEfSe分析的進(jìn)化分支圖Fig. 3 The cladogram of LEfSe analysis

2.4 功能預(yù)測(cè)

為了探究馬尾藻藻際微生物潛在的生態(tài)功能,本研究利用Tax4Fun軟件進(jìn)行功能預(yù)測(cè)。在一級(jí)功能水平上, 4種馬尾藻樣本共涉及6類(lèi)生物代謝通路,主要包括代謝(Metabolism, 相對(duì)豐度為45.47%—46.84%)、遺傳信息處理(Genetic information processing, 21.47%—23.86%)、環(huán)境信息處理(Environmental information processing, 11.82%—13.76%)和細(xì)胞過(guò)程(Cellular processes, 7.63%—8.28%)。代謝在所有樣本中為最主要功能, 其次為遺傳信息處理。此外, 4種馬尾藻樣本間在一級(jí)功能水平預(yù)測(cè)的基因豐度沒(méi)有顯著性差異(P＞0.05)。在二級(jí)功能水平上, 共注釋到44個(gè)二級(jí)代謝通路(圖4)。碳水化合物代謝(Carbohydrate metabolism)在所有樣本組中相對(duì)豐度均為最高, 達(dá)到10.71%—11.13%。此外, 膜轉(zhuǎn)運(yùn)(Membrane transport)、氨基酸代謝(Amino acid metabolism)、復(fù)制和修復(fù)(Replication and repair)也為主要功能。在二級(jí)代謝通路中, SMSP、SM-SH和SM-ST分別有8個(gè)、4個(gè)和3個(gè)生物代謝通路存在顯著性差異(P＜0.05)。

圖4 第2水平上的Tax4Fun功能注釋聚類(lèi)熱圖Fig. 4 Cluster heatmap of annotated function by Tax4Fun at the second level

3 討論

馬尾藻作為海藻場(chǎng)的重要支撐種, 在生境營(yíng)造、資源修復(fù)、餌料場(chǎng)形成、碳匯功能等方面發(fā)揮著重要作用, 具有重大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值。藻際微生物對(duì)于馬尾藻生態(tài)功能的發(fā)揮扮演著重要角色。本研究借助高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)我國(guó)黃海海域典型的4種馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較, 解析不同種馬尾藻附生菌群多樣性和群落結(jié)構(gòu)特征, 闡明其生態(tài)功能, 對(duì)深入了解馬尾藻的生態(tài)功能具有重要意義。

3.1 四種馬尾藻附生菌群多樣性

本研究通過(guò)16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)黃海典型的4種馬尾藻(海蒿子、海黍子、銅藻和鼠尾藻)和對(duì)照組海水樣本進(jìn)行了測(cè)序和數(shù)據(jù)分析, 發(fā)現(xiàn)所有樣本的微生物群落具有較高的豐富度、多樣性和宿主特異性。與馬尾藻樣本相比, 海水的游離微生物群落具有更高的多樣性和豐富度, 這與Lemay等[17]、James等[29]和Weigel等[30]報(bào)道相似。NMDS分析顯示馬尾藻樣本附生菌群結(jié)構(gòu)與海水游離微生物存在明顯差別, 馬尾藻與海水樣本僅共有12ASVs, 占比僅為0.136%。藻際微生物與游離微生物群落結(jié)構(gòu)差異可能是由于兩種環(huán)境介質(zhì)之間的理化因子差異造成的, 海水的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度相對(duì)比較低, 而藻類(lèi)可以為附著微生物提供有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 海藻表面形態(tài)和分泌的化學(xué)物質(zhì)又為微生物附著和定殖提供了微生境選擇性, 使海水中部分游離的稀有微生物定殖于藻體表面后成為豐富微生物[31]。

β多樣性分析結(jié)果表明同一生態(tài)位分布的4種馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)差異不顯著。研究表明, 海藻表面附生菌群結(jié)構(gòu)容易受到地理格局、環(huán)境理化因子、宿主等因素的影響[16,32,33], 4種馬尾藻分布在同一生態(tài)位, 所處的海洋環(huán)境相同, 使其暴露在相同的微生物源群中。Lemay等[34]研究發(fā)現(xiàn)生活在同一海域的8種海帶附生菌群結(jié)構(gòu)相似, 共享比例達(dá)到37%。Moeller等[35]發(fā)現(xiàn)共同區(qū)域棲居黑猩猩和大猩猩腸道菌群結(jié)構(gòu)相似性比不同區(qū)域的高53%, 表明環(huán)境因素顯著改變了OTUs在最豐富微生物分支的分布。

4種馬尾藻微生物群落結(jié)構(gòu)也存在差異, 可能是由于宿主形態(tài)和藻體含有的生物化學(xué)物質(zhì)差異導(dǎo)致的。多項(xiàng)研究表明, 宿主的形態(tài)會(huì)影響其表面附生菌群的結(jié)構(gòu), 即使同一株海藻的不同生長(zhǎng)部位微生物群落結(jié)構(gòu)也會(huì)有差異, 藻體形態(tài)復(fù)雜性會(huì)增加微生物群落的豐富度[17,24,36]。通過(guò)形態(tài)結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn), 鼠尾藻為細(xì)分枝, 葉絲狀、短小, 輪生; 海黍子和海蒿子初生分枝為粗分枝而次生分枝為細(xì)分枝; 銅藻的藻體呈樹(shù)狀, 為粗分枝[37]。鼠尾藻附生菌群多樣性和豐富度最高, 而銅藻最低, 與Lemay等[17]研究結(jié)果一致。此外, 馬尾藻含有的生物化學(xué)物質(zhì)也可能影響其附生菌群結(jié)構(gòu)[38]。4種馬尾藻富含褐藻膠、巖藻黃素、褐藻多酚等活性成分, 但是每種馬尾藻的營(yíng)養(yǎng)組成存在較大差異, 所產(chǎn)生的多糖類(lèi)物質(zhì)具有多樣化和物種特異性[39—41], 而多糖類(lèi)物質(zhì)又是細(xì)胞壁的主要成分, 細(xì)胞壁多糖能夠吸引或排斥部分微生物定殖, 進(jìn)一步影響微生物群落結(jié)構(gòu)組成。

3.2 馬尾藻附生菌群潛在的生態(tài)功能

4種馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)組成在低分類(lèi)階元(屬水平和ASV水平)呈現(xiàn)出明顯的宿主特異性, 相對(duì)豐度前10ASVs在不同馬尾藻樣本間的分布也進(jìn)一步揭示了種群結(jié)構(gòu)組成的差異性, 而這些優(yōu)勢(shì)ASVs所隸屬的菌科(如紅桿菌科、黃桿菌科、硫發(fā)菌科、生絲單胞菌科、根瘤菌科、理研菌科、顆粒狀球菌科等)在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。例如: 紅桿菌科普遍存在于大型海藻表面, 參與碳和硫的循環(huán), 產(chǎn)生獨(dú)特的抗菌物質(zhì)和次級(jí)代謝產(chǎn)物, 具有一定的解毒能力; 根瘤菌科某些種類(lèi)不僅能夠參與氮循環(huán), 而且還能降解海洋環(huán)境中某些難降解的化合物; 硫發(fā)菌科參與海洋硫元素循環(huán);理研菌科參與碳水化合物代謝, 包括對(duì)纖維素、聚糖和寡糖的降解; 生絲單胞菌科能夠誘導(dǎo)和刺激海藻孢子形態(tài)變化和沉降, 還具有抗菌活性[42—45]。此外, 紅桿菌科和黃桿菌科的某些種類(lèi)又是條件致病菌, 一旦環(huán)境惡化, 會(huì)導(dǎo)致海帶等經(jīng)濟(jì)藻類(lèi)病害發(fā)生[46]。

除了上述優(yōu)勢(shì)菌科在海洋生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用外, 本研究還利用Tax4Fun功能預(yù)測(cè)軟件挖掘馬尾藻附生菌群潛在的生態(tài)功能, 結(jié)果表明4種馬尾藻附生菌群的功能趨于一致性。研究表明藻類(lèi)相關(guān)的微生物菌株具有高度的生態(tài)等效性, 并且微生物群落結(jié)構(gòu)組成可能是根據(jù)功能而不是根據(jù)藻類(lèi)的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系驅(qū)動(dòng)[38]。在一級(jí)功能水平上, 代謝為最主要的生物代謝通路, 其次是遺傳信息處理, 這與Ahmed等[32]報(bào)道一致。在二級(jí)功能水平上, 碳水化合物代謝在所有藻類(lèi)樣本相對(duì)豐度最高, Li等[47]利用FAPROTAX軟件預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)大型海藻附著基上微生物群落與碳代謝相關(guān)性最大, 我們前期研究結(jié)果也表明碳水化合物代謝為大型海藻附生菌群潛在的生態(tài)功能[45]。微生物通過(guò)碳代謝能夠維持環(huán)境中碳循環(huán)的穩(wěn)定, 這也是藻類(lèi)附著的基礎(chǔ);隨著藻類(lèi)的定殖和生長(zhǎng), 通過(guò)光合作用固碳, 成為初級(jí)碳生產(chǎn)者; 此外, 海藻表面形成的微生物膜通過(guò)吸收滲出的溶解碳和壞死組織的降解, 又將這些含碳化合物轉(zhuǎn)化為可被藻類(lèi)重復(fù)利用的形式。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)比較了4種馬尾藻附生菌群的結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)與海水游離微生物群落差異明顯, 而4種馬尾藻樣本組間差異不顯著。馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)組成呈現(xiàn)出宿主特異性, 尤其是相對(duì)豐度較高的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群。由于大型海藻附生菌群結(jié)構(gòu)容易受到地理格局、海洋環(huán)境、海藻生活史不同階段和取樣部位等時(shí)間空間因素的影響, 本研究?jī)H比較了同一生態(tài)位分布的4種馬尾藻附生菌群, 為了深入了解馬尾藻附生菌群結(jié)構(gòu)特征, 在今后的研究中應(yīng)綜合考慮上述因素。

大型海藻碳匯是目前研究的熱點(diǎn), 通過(guò)挖掘海藻附生菌群的生態(tài)功能有助于深入了解海藻的生態(tài)習(xí)性, 為馬尾藻場(chǎng)修復(fù)提供理論依據(jù), 助力藍(lán)碳事業(yè)研究工作。鑒于擴(kuò)增子高通量測(cè)序功能預(yù)測(cè)的局限性, 宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用, 以及分離鑒定培養(yǎng)碳循環(huán)相關(guān)微生物等方法相結(jié)合在今后可進(jìn)一步應(yīng)用于大型海藻附生菌群生態(tài)功能的研究。