● 以实验室养殖的坛紫菜为材料，首次采用鸟枪法宏基因组测序技术对坛紫菜附生微生物的群落进行系统的研究。
● 对群落中的微生物基因进行了COG、KEGG和CAZymes功能注释，为今后研究大型海藻附生菌群的功能提供了新的见解。
● 通过对群落中微生物的contigs进行分箱，获得了6个微生物的宏基因组草图(draft genomes)；经过进一步的代谢通路注释，推测这6个微生物具有合成植物生长激素和维生素B12的潜力。
紫菜是一种具有高经济价值的海洋农作物，广泛栽培于中国南方沿海地区。之前对紫菜的研究发现，它的生长发育与其附生菌群息息相关。无论是处于健康状态的紫菜，还是患病的紫菜，其微生物群落通常较为复杂。利用扩增子测序技术(16S rDNA、18S rDNA和ITS)，先前的研究已经揭示了紫菜附生微生物菌群的群落结构和多样性，但由于扩增子序列的长度有限，PCR扩增时通常存在宿主细胞器基因组等污染的问题，因此，对于附生微生物的功能以及从个体微生物层面对菌-藻潜在相互作用的认识依旧匮乏。对于认识和研究附生微生物与紫菜之间的相互作用，获得微生物菌群的功能和个体基因组信息显得尤为必要。中国海洋大学海洋生命学院茅云翔教授团队利用宏基因组测序技术，以实验室养殖的坛紫菜为材料，对紫菜附生菌群的多样性和基因功能进行了系统性研究，并获得了6个具有合成植物生长激素和维生素B12潜在能力的微生物基因组草图(draft genomes)。研究论文“On microbial community of Pyropia haitanensis by metagenomic analysis”发表在Journal of Oceanology and Limnology 2021年第3期，第一作者为中国海洋大学藻类遗传与育种实验室王俊皓博士，唐祥海副教授任通讯作者。图1表示菌群群落中各类微生物分配给COG的25个功能类别的基因丰度。其中，[R]功能类别的丰度最高，表明目前坛紫菜附生微生物菌群中的多数基因功能依然处于未知。基因丰度排名第二的是[E]氨基酸的转运和代谢，推测氨基酸可能对于维持宿主和附生微生物群落之间的联系具有重要作用。此外，本研究中微生物菌群的COG类别丰度与之前研究报道的土壤微生物的COG类别丰度相似，一定程度上表明，虽然陆地和海洋中微生物所处的环境介质不同，但微生物的功能可能具有普遍性。
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注：左侧图例中不同的颜色表示微生物菌纲的分类水平；“Unclass”表示基因序列未被分配到菌纲的分类；“Others”表示基因数量少于100的微生物纲。
菌群的代谢通路功能注释显示，菌群中丰度较高的代谢通路分别为ABC 转运系统、双组分系统和群体感应通路。ABC转运系统可以实现如铁离子、氨基酸、多肽等的转运；双组分系统和群体感应通路则与菌群的定植，营养的获取和群体防御相关。
图2 表示坛紫菜附生微生物群落中六类碳水化合物酶家族的基因丰度分布。其中，群落中存在琼脂酶和海藻酸裂解酶，表明紫菜能够为微生物群落提供多样的碳源。另外，与COG功能注释相一致的是，大多数碳水化合物酶被分配给变形菌门和拟杆菌门，表明这两个菌门的微生物对维持紫菜的健康生长和发育具有重要作用。
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图2 微生物群落中六类碳水化合物活性酶的相对丰度分布注：纵轴表示基因数量，横轴表示六类碳水化合物活性酶的缩写。GHs：糖苷水解酶；GTs：糖苷转移酶；CBMs：碳水化合物结合模块；AAs：辅助模块酶类；PLs：多糖裂解酶；CEs：碳水化合物酯酶类。最后，通过微生物基因组重组，获得了6个具有合成植物生长激素和维生素B12潜在能力的微生物基因组草图，但对促进紫菜生长发育的有益微生物的进一步挖掘还需要更多的数据和实验来进行验证。
本研究丰富了对紫菜附生微生物物种和功能多样性的认识，为今后紫菜附生微生物的研究提供了新的思路。
Junhao WANG, Yunxiang MAO, Guoying DU, Xiaojiao LI, Xianghai Tang. 2021. On microbial community of Pyropiahaitanensis by metagenomic analysis. Journal of Oceanology and Limnology, 39(3): 1091-1102. https://doi.org/10.1007/s00343-020-0189-0
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