重点实验室在海洋生境细菌菌群调控线虫发育与寿命研究中获新进展

　　

线虫是地球上数量最多的后生动物，海洋线虫是海洋底栖生态系统中数量最丰富的动物类群之一，生境细菌可为诸多自由生海洋线虫提供饮食营养。然而，生境细菌如何调控海洋线虫重要生命过程如生长发育、繁殖和寿命的机制尚不清楚。本研究使用遗传背景清晰的以细菌为食的海洋线虫Litoditis marina自交纯系为研究材料，深入探究了生境细菌调控宿主线虫生长发育和寿命的机理及肠道菌群特征，相关研究结果发表于国际期刊BMC Biology。

通过全长16S rRNA基因扩增子测序探究了海洋线虫L. marina生境细菌的群落组成和季节变化特征，共得到5783个OTUs，在门水平以变形菌门（46.33%）、拟杆菌门（22.03%）、蓝细菌门（11.11%）和放线菌门（6.30%）为主，在属水平以伍斯菌属为主（11.8%）。同时，通过纯培养分离的方法，分离培养了539株L. marina生境细菌，以弧菌属、发光杆菌属、交替单胞菌属、希瓦氏菌属、奥利亚菌属、芽孢杆菌属和极地杆菌属为主，其中28个为潜在的新物种。

团队探究了448种可培养生境菌株对海洋线虫L. marina生长发育的影响，聚焦研究其中73个代表性生境菌株如何调控L. marina发育，并对其中72种细菌进行了全基因组测序和组装。基于全基因组信息重建了全基因组尺度的菌群代谢模型，通过随机森林关联分析，发现生境细菌的CoQ、血红素b、乙酰辅酶A、乙醛、丙酮酸盐和油酸盐代谢与L. marina的生长发育呈显著正相关。相反，铁载体、维生素B6和萜烯代谢与L. marina的生长发育呈显著负相关。进一步的单一代谢物添加实验发现，辅酶Q、血红素b、乙酰辅酶A、乙醛和丙酮酸盐促进L. marina生长发育，而添加维生素B6显著抑制L. marina在饮食希瓦菌S. algae时的发育。此外，本研究发现二甲磺酰丙酸降解I通路与L. marina的寿命呈正相关，而甘油降解I通路与L. marina寿命呈负相关。进一步的单一代谢物添加实验发现，在S. algae中添加1%甘油显著延长L. marina的寿命（图1）。

图1?细菌代谢物调控海洋线虫的发育和寿命

科研人员进一步研究了在73种代表性菌株构成的菌落（HQbiome）、有益菌株群落（HQbiome-1）和HQbiome-3（HQbiome-1及S. algae）中生长时，海洋线虫L. marina肠道菌群定植和组成特征，并对HQbiome、HQbiome-1、有害菌株群落（HQbiome-2）和HQbiome-3对L. marina的生长发育和寿命的影响进行了探究。发现L. marina肠道菌群在线虫成体第三天达到稳定状态，食用HQbiome和HQbiome-3时，L. marina肠道菌群以希瓦菌S. algae为主，而食用HQbiome-1时以弧菌V. parahaemolyticus为主，表明S. algae具有超强的菌群竞争和肠道定植能力，且L. marina对肠道菌群的定植没有选择性。相较于HQbiome和HQbiome-2，有益菌组合HQbiome-1显著促进L. marina发育，而相较于HQbiome-1和HQbiome-2，HQbiome显著延长L. marina的寿命，喂食HQbiome-3显著缩短L. marina寿命（图2）。进一步发现宿主肠道菌群中的主导菌（即HQbiome中的S. algae和HQbiome-1中的V. parahaemolyticus）对宿主的生长发育而非寿命起主导作用。

图2?海洋线虫肠道细菌菌群组成及其对宿主线虫发育与寿命的调控特征

本探究进一步探究了海洋线虫生境细菌调控海洋线虫L. marina与其陆生近缘秀丽线虫C. elegans生长发育、寿命与肠道菌群的定植特征的异同。通过C. elegans食用448种单菌株后的产卵时间实验，发现约80%的海洋生境菌株能够支持C. elegans的生长，仅有20%的细菌严重阻碍宿主的健康发育。海洋菌株对L. marina和C. elegans的生长发育的影响呈显著正相关。基于代谢模型和随机森林模型，发现了与C. elegans生长发育显著相关的细菌代谢通路，其中GDP-甘露糖生物合成通路、有氧呼吸III和血红素b生物合成I通路同样也对L. marina的生长发育调控起重要作用，但生长发育调控相关的代谢通路大多在海陆线虫间存在差异。另外，本研究发现腺嘌呤营救通路产生的AMP和IMP与C. elegans的寿命呈显著负相关。通过对L. marina和C. elegans肠道菌群比较研究发现，两种线虫肠道菌群均在新孵化的L1幼虫发育到约160小时达到稳定，海洋线虫对肠道菌群没有选择性，而C. elegans有明显的选择性（图3）。HQbiome、HQbiome-1和HQbiome-2三种细菌混合菌群对C. elegans产卵时间与其对L. marina生长速率的影响趋势相似，即有益菌组合HQbiome-1促进两种线虫的生长发育；而三种细菌群落对两种线虫寿命的影响存在较大差别，即有害菌组合HQbiome-2显著延长C. elegans寿命，而HQbiome显著延长L. marina寿命。

图3?秀丽线虫肠道细菌菌群组成及其对宿主线虫发育与寿命的调控特征

本研究为生境细菌介导的无脊椎动物重要生命过程、发育进化和环境适应等领域提供了新认知，鉴于细菌和线虫均是底栖或土壤等生态系统中的优势物种，本研究发现将为全球气候变化背景下生境细菌在自然环境中如何调控线虫生物学、生态系统保护和管理提供重要科学参考，同时本研究的整合研究方法也将提供一个细菌菌群-线虫框架以深入研究微生物组介导的宿主动物健康、适应和演化。

中国科学院海洋研究所实验海洋生物学重点实验室博士研究生薛一鸣为论文第一作者，助理研究员谢玉素和博士研究生曹绪文为共同作者，张留所研究员为通讯作者，研究得到了中国科学院海洋大科学研究中心重点部署项目和国家自然科学基金等项目资助。

 

相关论文：Yiming Xue, Yusu Xie, Xuwen Cao, Liusuo Zhang. The marine environmental microbiome mediates physiological outcomes in host nematodes.

BMC Biology, 2024; 22(1):224.

原文链接：doi: 10.1186/s12915-024-02021-w.