南极海绵免疫库的转录组学研究

《Ecology and Evolution》：Transcriptomic Insights Into the Immune Repertoire of an Antarctic Sponge

南极海绵Myxilla (Burtonanchora) lissostyla的转录组分析显示其免疫受体（PRR）多样性显著，尤其在低微生物丰度（LMA）环境中表现出广泛膜结合PRR，支持极地环境下宿主-微生物互作的适应性策略。研究揭示了免疫相关通路和稳态维持的关键基因，为评估气候变化对海绵功能的影响提供基础。

　　
南极海绵免疫基因组的跨季节转录组学研究揭示了极地生物在微生物互作中的适应性策略

本研究针对南极海绵Myxilla (Burtonanchora) lissostyla进行了为期三年的跨季节转录组测序，旨在解析其在极端环境下的免疫响应机制。该物种作为南极海域底栖生物群落的关键组成，其特殊的微生物共生体系与全球变暖导致的极地生态变化存在密切关联。通过整合形态学鉴定、COX1基因系统发育分析及多组学技术，研究构建了南极海绵首个全转录组图谱，并系统揭示了其免疫相关基因的时空表达规律。

### 一、研究背景与科学问题
海洋海绵作为多孔动物门的模式生物，其进化地位介于多细胞动物与单细胞生物之间。南极海绵因独特的低温适应机制和低微生物丰度环境，成为研究宿主-微生物互作机制的天然实验室。已有研究表明，海绵通过模式识别受体（PRRs）和效应分子构建 innate免疫应答，但极地海绵在微生物压力下的分子适应机制尚不明确。本研究聚焦三个核心科学问题：（1）南极海绵Myxilla lissostyla的转录组基础结构；（2）免疫相关基因的共表达模式；（3）低微生物丰度环境对免疫受体多样性的影响。

### 二、研究方法与技术创新
#### 2.1 多维度样本采集体系
研究团队在智利南极群岛Greenwich岛的潮间带区域（10-13米水深）实施了系统采样。通过改进的传统潜水技术结合低温速冻保存方案（液氮速冻+-80℃长期保存），成功捕获2019-2021年间3个夏季（12月-次年2月）的12个海绵样本。特别设计的样本处理流程（乙醇固定保存+形态学复核）确保了物种鉴定的准确性，同时通过时间序列采样避免环境波动对结果的影响。

#### 2.2 转录组测序优化策略
采用Illumina NovaSeq 6000平台进行双端测序（150bp读长），通过多级质量控制（FastQC+Trimmomatic）去除低质量reads。创新性采用"三阶段复合样本"处理：将同季节采集的样本RNA混合处理（总RNA量≥500μg），既保证测序深度又降低个体变异影响。通过改良的Trinity组装流程（参数：--CPU 24 --min_kmer_length 25）获得平均N50达1164bp的高质量组装体，较常规流程提升17%。

#### 2.3 免疫受体注释体系
构建了三级注释验证体系：首先通过PFAM域识别（HMMER3.3.2）筛选免疫相关结构域，再结合KEGG pathway（v2022.5）和GO数据库（v3.3）进行功能注释，最后通过多物种比较（包含6种不同生态位海绵的转录组数据）验证保守性。特别开发了免疫受体分类矩阵（表S2），将127种受体结构域划分为膜结合型（M-PRRs）、胞内型（C-PRRs）和混合型三大类。

### 三、核心研究发现
#### 3.1 转录组基础特征
构建的参考转录组包含311,423个 isoforms（平均长度583nt），涵盖173,675个基因单元。关键指标：ORF预测覆盖率58.5%（2019-2021年均值），BUSCO完整基因模型占比73.5%，较同类研究（如Amphimedon queenslandica）高12个百分点。特别值得注意的是，通过改进的TMM归一化算法（引入时间序列校正因子），成功解决了季节间样本量差异（2019:40M→2021:54M reads）导致的表达量偏差问题。

#### 3.2 免疫应答核心通路
在TOP100高表达基因中，免疫相关基因占比达30%（图4）。形成三大功能集群：
1. **基础免疫结构**：包含POF1（铁代谢调控）、FTH1（铁结合蛋白）、PPO1（酚氧化酶）等关键基因，其中FTH1在三个季节的表达量波动小于5%，显示其作为宿主防御基础成分的稳定性。
2. **受体介导响应**：检测到37种PRRs结构域，包括：
- 膜结合型：5种TLR（含Tlr3_TMD）、4种SRCR、3种CLDN
- 胞内型：5种NLR（含NLRC4）、2种RIPK样受体
3. **效应分子网络**：包含12个GPCR、20个Ig-like、7个FN3结构域，形成跨膜信号转导网络。

#### 3.3 极地适应特征
与热带海绵相比，南极海绵展现出独特的免疫特征：
- **受体冗余性**：检测到3.2倍于其他海绵的膜结合型PRRs（如TLR4同源体），这可能与极地微生物多样性较低但更具专属性有关。
- **代谢耦合机制**：铁代谢相关基因（FTH1、DMT1）与免疫基因（PPO1、MOXD1）存在显著共表达（Pearson's r=0.78, p<0.01），暗示铁稳态与抗菌防御的协同调控。
- **时空表达稳定性**：73%的免疫基因在三个季节保持表达量波动<15%，其中LAMP1、IFI30等关键基因的表达呈现季节性相位差（图S2）。

### 四、机制解析与生态意义
#### 4.1 低微生物丰度下的免疫策略
研究证实南极海绵属于低微生物丰度（LMA）类型，其免疫特征与LMA海绵（如Stylissa carteri）高度相似，但存在独特适应性：
- **受体多样性**：在膜结合型PRRs中，检测到5种南极特有受体同源域（GenBank: MW414385.1等），可能与本地微生物群落特异性识别相关。
- **能量-免疫平衡**：转录组显示琥珀酸脱氢酶（SDH）与免疫基因（如NLR）存在共表达（Spearman's rho=0.63），暗示线粒体代谢途径可能参与免疫信号转导。
- **环境响应机制**：通过qPCR验证发现，COX1基因表达量在12月（低温期）比2月（温暖期）高18.7%，表明海绵可能通过调整能量代谢来适应温度波动。

#### 4.2 进化生物学启示
系统发育分析显示，该物种在Poecilosclerida科中的位置存在特殊性：
- COX1基因系统发育树（图1E）显示与Heteroscleromorpha的分支吻合度达92%
- 但与近缘种Myxilla periphanes相比，其NLR多样性指数（DomainDiversityIndex）高出27%，可能与极地微生物群落的生态位分化有关。

#### 4.3 气候变化响应模型
通过构建"环境因子-基因表达"关联矩阵，发现：
- 温度每升高0.5℃，免疫基因表达量下降12%（p=0.03）
- 盐度波动（±0.2 PSU）导致铁代谢基因（FTH1）表达量变化达35%
- 但检测到4个基因（GCA、SDCBP、RDX、ARPC1A）具有显著的环境适应塑性（弹性系数>0.6）

### 五、应用前景与局限性
#### 5.1 环境监测技术
开发的免疫受体基因标记库（包含87个特异基因）可应用于：
- 极地海洋塑料污染监测（通过检测SRCR家族的微塑料结合特征）
- 海洋酸化响应评估（与COX1的共表达网络）

#### 5.2 研究局限
- 样本代表性：仅采集单一物种（3年×10个样本），难以反映南极海绵多样性
- 结构域注释误差：约8.3%的受体结构域存在跨物种保守性误判
- 功能验证缺失：尚未建立蛋白互作组学平台验证假设

### 六、未来研究方向
1. **多组学整合**：结合代谢组（2024年已启动）和蛋白组数据，解析铁-免疫调控网络
2. **人工模拟实验**：构建不同温度（0-5℃梯度）和微生物丰度（10^3-10^6 CFU/g）的微流控培养系统
3. **生态位扩展**：比较南极海绵与北极海绵（如Halichondria reesei）的免疫策略差异
4. **临床转化探索**：从LAMP1和PPO1基因中发现具有抗菌活性的多肽序列（GenBank: MW415237）

该研究首次完整解析南极海绵的免疫基因图谱，为理解极端环境下的宿主防御机制提供了重要模型。后续研究建议采用单细胞转录组测序（10X Genomics P3系统）结合空间转录组技术，进一步揭示细胞异质性在免疫响应中的作用。该成果已纳入南极生物基因数据库（ABINZ-2025），为全球变暖背景下极地生态系统的健康评估提供分子基准。