朱國平,王 敏

1 上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306 2 上海海洋大學極地研究中心,上海 201306 3 上海海洋大學 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)教育部重點實驗室極地海洋生態(tài)系統(tǒng)研究室,上海 201306 4 國家遠洋漁業(yè)工程技術研究中心,上海 201306

海洋微生物在全球生物地球化學循環(huán)中起著關鍵作用[1]。然而,人們常常忽視了海洋生物對海洋微生物群落的貢獻。與周圍的水體相比,海洋生物代表著營養(yǎng)豐富且潛在的低氧環(huán)境,并為微生物定植提供了內(nèi)外表面[2]。海洋生物提供的生態(tài)位多樣性有助于維持海洋微生物多樣性并為稀有微生物傳播提供了途徑[2]。腸道微生物可提供有關宿主生物的生態(tài)信息。已有研究表明,腸道微生物區(qū)系在宿主物種的免疫系統(tǒng),代謝產(chǎn)物和健康中起著重要的作用[3],宿主可能會通過腸道微生物增強營養(yǎng)吸收和免疫功能[4]。針對海洋微生物的研究已成為近年來生物海洋學以及海洋生物學研究領域的熱點,而開展海洋生物腸道微生物研究也成為全球微生物研究的新熱點,尤其是該項研究為解決海洋生物攝食生態(tài)學研究提供了一條極具前景的研究途徑。

遠離人類社會的南極地區(qū),終年氣候嚴寒,冬季大多地區(qū)被冰雪覆蓋。呈東向環(huán)極流動的南極繞極流(Antarctic Circumpolar Circulation, ACC)將南大洋及南極與外界系統(tǒng)隔離開來,從而形成了南極生態(tài)系統(tǒng)自身的特異性。極地環(huán)境經(jīng)歷了海冰覆蓋、光照水平和白晝長度等極端的季節(jié)性變化[5],這導致原本棲息于南大洋的多數(shù)生物均逐漸滅絕,僅極少數(shù)生物能夠適應這種極端環(huán)境并存留下來[6]。這些生物進化出了許多獨特的特征,使它們能夠在高緯度、持續(xù)低溫的環(huán)境中生存并繁衍至今,這其中也包括棲息于此的微生物。盡管南大洋海洋生物的腸道微生物研究有著特殊的理論意義和重要的生態(tài)價值,但因南極的特殊地理位置以及惡劣的氣候條件,南大洋海洋生物腸道微生物的研究仍較為有限,尤其是處于食物鏈中下端的魚類和浮游生物,而國內(nèi)更是鮮有關于南極海洋生物腸道微生物的報道。為此,本文以南大洋代表性海洋生物為目標,以南極海洋食物網(wǎng)中典型生物為主線,綜述了南大洋海洋生物的胃腸道微生物研究概況,以期為深入開展極端環(huán)境下海洋生物腸道微生物適應性與功能機制研究提供基礎信息和思路。

1 南極生物腸道微生物研究

基于高等生物的研究表明,腸道微生物相當于生物后天獲得的“器官”,在宿主的營養(yǎng)代謝和免疫調(diào)節(jié)等方面均發(fā)揮著重要的作用[7]。盡管關于南極生物腸道微生物研究較為有限,但近些年來,南極生物的胃、腸道微生物的類型、適應機制等方面仍取得了一些進展[8- 9]。本文主要對南極具有代表性、位于南極食物網(wǎng)不同營養(yǎng)級的生物,如南極大磷蝦(EuphausiaSuperba)、南極魚類、企鵝及海豹等南極海洋生物的腸道微生物研究進行總結。

1.1 南極磷蝦

磷蝦屬于甲殼類動物,目前共發(fā)現(xiàn)有8種磷蝦類生活在南極海域,通常所稱的南極磷蝦一般指的是南極大磷蝦(以下除特指外,均以磷蝦簡稱)[10]。磷蝦是南極海洋食物網(wǎng)中的關鍵物種。在南大洋,作為生物量極為豐富的初級消費者,磷蝦將初級生產(chǎn)者與大多數(shù)營養(yǎng)級較高的捕食者,如魚類、鳥類、海豹、魷魚和鯨魚等聯(lián)系起來,且在通過生物泵調(diào)節(jié)海洋碳儲量過程中具有重要作用,一定程度上影響著地球生物化學循環(huán),并在南極海洋生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生至關重要的影響[11- 13]。目前,針對磷蝦的研究主要集中在分布、豐度以及開發(fā)利用磷蝦油營養(yǎng)等方面[14- 15],少有研究涉及磷蝦及其相關微生物之間共生關系的分子生物學和生物化學,許多與磷蝦有關的微生物多樣性與功能研究均處于探索階段。

磷蝦的體表和胃腸部存在著大量細菌的生長,是磷蝦總消化過程的重要組成部分[16]。1990年,研究人員由南設得蘭群島將軍灣捕獲的磷蝦胃中分離出一種菌株116,基于有限的形態(tài)學和生理學特征將其劃分為少動鞘氨醇單胞菌Sphingomonaspaucimobilis116,后來發(fā)現(xiàn)該菌株可以分泌一種具有獨特性能的冷適應細胞外金屬蛋白酶[17- 18]。Deener等[8]通過純培養(yǎng)的方法測試了該菌株的形態(tài)學特征及生理生化特性,并利用高效液相色譜(HPLC)分析了DNA的堿基組成,發(fā)現(xiàn)該菌株與嗜冷桿菌屬(Psychrobacter)的親緣關系最為密切,且具有細胞嚴格需氧、強烈的氧化酶活性、嗜冷、嗜鹽、革蘭氏陰性非運動球桿菌、泛醌Q- 8等呼吸系統(tǒng)中主要酯醌等典型的嗜冷桿菌所具有的特性,從而將其命名為Psychrobacterproteolyticussp. 116。作為變形菌門(Proteobacteria)的重要微生物,嗜冷桿菌廣泛存在于南大洋生態(tài)系統(tǒng)中,在南極海冰、冰藻類以及鳥類糞土中也發(fā)現(xiàn)了該菌種[19- 22]。嗜冷微生物分泌的酶在低溫下具有高比活性,在一系列工業(yè)和產(chǎn)品中具有潛在的用途,如在食品加工中,作為清洗劑用于低溫洗滌,用于高蛋白廢物的降解以及分子生物學研究等。Psychrobacterproteolyticussp. 116的發(fā)現(xiàn)顯示了南極微生物廣闊的利用前景,但該研究未分析磷蝦消化道微生物的系統(tǒng)發(fā)育、生物活性以及這些微生物對磷蝦的影響。

有證據(jù)表明,磷蝦消化道中的細菌可能參與宿主的消化過程,包括產(chǎn)生蛋白水解、脂質(zhì)水解和幾丁質(zhì)水解酶等[17]。Cui等[23]針對2010年2月于斯科舍海捕獲的磷蝦消化道中獲得了134種微生物分離物,去除重復的菌株后,選擇75個代表性分離物進行測序并成功鑒定了包括42個真菌菌株,33個細菌菌株,其中8個菌株屬于放線菌；進一步研究顯示,真菌分離株屬于子囊菌門(Ascomycota),包括五個屬(青霉菌屬Penicillium,枝孢屬Cladosporium,曲霉屬Aspergillus,籃狀菌屬Talaromyces和Meyerozyma),其中青霉菌屬是主要的真菌群。細菌包括厚壁菌門(Firmicutes)和變形菌門,15株屬于厚壁菌門,包括三個屬(芽孢桿菌屬Bacillus,葡萄球菌屬Staphylococcus和動性球菌屬Planococcus),芽孢桿菌屬是所鑒定的主要細菌屬。10株屬于變形菌門包括γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)和β-變形菌綱(Betaproteobacteria),兩個屬(嗜冷桿菌屬和產(chǎn)堿桿菌屬Advenella)。與磷蝦相關的放線菌群落由放線菌門(Actinobacteria)鏈霉菌屬(Streptomyces)的八個菌種組成,而鏈霉菌屬則為唯一由磷蝦體內(nèi)分離的放線菌屬。

在抗菌活性試驗中,細菌和放線菌代謝產(chǎn)物顯示出比真菌代謝產(chǎn)物更廣泛和更強的抗菌活性,且抗菌活性集中于抑制水生致病細菌,尤其是創(chuàng)傷弧菌(Vibriovulnificus),其中嗜冷桿菌屬和芽孢桿菌屬細菌表現(xiàn)出最佳的抗菌活性[23]。致病細菌在南極地區(qū)也有廣泛的宿主分布,通常會引起許多生物感染腸道疾病和傷口感染[20- 22],但磷蝦似乎已形成一種免疫系統(tǒng),以避免或抑制水生致病細菌和其它生物的入侵。例如,與非酶對照相比,磷蝦酶對治療靜脈性腿部潰瘍具有顯著作用,且可以快速地促進傷口愈合[23]。在細胞毒性實驗中,大多數(shù)真菌代謝物對腫瘤細胞系均表現(xiàn)出60%以上的抑制作用,這與阿霉素相當[23],該情況為開發(fā)海洋抗腫瘤藥物提供了新思路；此外,該研究還分析了微生物的氟化鈉(NaF)耐受性。雖然高濃度的氟化物對其它生物產(chǎn)生毒性效應,但它卻是磷蝦角質(zhì)層形成的重要組成部分。研究表明,所有菌株均能在NaF條件下存活,大多數(shù)放線菌和一些真菌仍可產(chǎn)生細胞毒性產(chǎn)物[23],證明除了由宿主體內(nèi)獲得營養(yǎng)外,共生微生物還可利用其產(chǎn)生的細胞毒性和抗菌代謝產(chǎn)物保護宿主。

Clarke等[24]利用高通量測序比較了2016年1—2月采自凱爾蓋朗群島附近水域磷蝦的蛻皮,胃,消化道和糞便相關的細菌群落與周圍海水的細菌群落,發(fā)現(xiàn)兩者之間存在著較大差異,磷蝦胃和消化道中主要的菌群包括放線菌門,厚壁菌門,變形菌門和軟壁菌門(Tenericutes)。盡管放線菌門占據(jù)極地深水中細菌群落的較大部分,但在南大洋任何水域中,其他三個門相對豐度均未達到1%；蛻皮中的磷蝦個體細菌群落豐度與海水相似,而胃及腸道樣本的多樣性則低得多,該研究并未說明造成這種現(xiàn)象的原因[24]。

總的來講,目前對磷蝦腸道微生物的研究主要集中在夏季,采樣地點也較為零散,但基本可以確定放線菌門、厚壁菌門和變形菌門在磷蝦消化道中占據(jù)著主導地位[23-24]。但有關磷蝦腸道微生物組成的影響因素研究仍較為有限。薛梅等[25]基于脂肪酸標記法發(fā)現(xiàn),南極南喬治亞島磷蝦幼體冬季主要以浮游植物為食,而磷蝦成體則多攝食橈足類等異養(yǎng)生物,幼體與成年個體腸道菌群是否因攝食而產(chǎn)生差異值得探究；且Zhu等[26]利用穩(wěn)定同位素標記法研究南極秋至冬季磷蝦營養(yǎng)的區(qū)域變化,發(fā)現(xiàn)南設得蘭群島附近的磷蝦δ15N值明顯高于布蘭斯菲爾德海峽,認為進入冬季以后海冰逐漸推進到近海區(qū)域,海冰下的微生物可能成為磷蝦的食物來源。由此,今后可以進一步探究棲息地環(huán)境改變造成的攝食變化是否會對磷蝦的腸道菌群結構產(chǎn)生影響。

1.2 南極魚類

生活分布于溫度極低的南大洋魚類超過300種,其中南極亞目魚類占南大洋所有魚類的46%[27- 28]。為了適應寒冷及高度氧化的環(huán)境,南極魚類,尤其是鱷冰魚科魚類,獲得了新型抗凍蛋白[29],而缺失了氧結合血紅蛋白[30- 31]。鑒于南極魚亞目的生態(tài)、形態(tài)及生理多樣化,可以預見這些魚類腸道微生物群落也進化到適應宿主的各種營養(yǎng)生活方式。由于魚類腸道中缺乏厭氧菌(其在其它生物的腸道微生物群中占主導地位)[32],這也可能降低腸道微生物的多樣性。南極魚類因攝入富氧的海水,并支持依賴氧氣進行呼吸的腸道寄生蟲——蠕蟲生存,致使其腸道基本上處于需氧狀況[33]。目前,南極魚亞目腸道微生物群落受到的關注相對較少。

涉及腸道菌群研究的南極魚類主要包括多鰭南極魚(Notothenianeglecta),革首南極魚(N.coriiceps),短腹冰魚(Chaenocephalusaceratus),伯氏肩孔南極魚(Trematomusbernacchii),漢氏肩孔南極魚(T.hansoni)和紐氏肩孔南極魚(T.newnesi) 獨角雪冰魚(Chionodracohamatus),尖頭裸龍鰧(Gymnodracoacuticeps),博氏南冰鰧(Pagotheniaborchgevinki),小鱗犬牙南極魚(Dissostichuseleginoides),南極電燈魚(Electronaantarctica),波氏原燈籠魚(Protomyctophumbolini),梯氏原燈籠魚(P.tenisoni),波氏裸燈魚(Gymnoscopelusbolini),勃氏裸燈魚(G.braueri)等(表1)。

表1 南極常見魚類主要腸道菌群結構組成

針對以上研究的物種,采樣地點,時間等均存在較大差異,故無法比較不同魚種間的差異,且采樣時間大多較短,因此建議進一步監(jiān)測某一特定魚類全年的腸道微生物組成變化。由上述幾種魚類腸道菌群研究中可以看出,研究手段的發(fā)展極大拓寬了人們對于南極生物的腸道微生物的認識。以伯氏肩孔南極魚為例,采用純培養(yǎng)的方式僅能分離出變形菌門的細菌,而采用16S rRNA基因Illumina MiSeq測序得到了放線菌門、厚壁菌門、擬桿菌門、泉古菌門等更為豐富的菌群信息；攝食與棲息深度等生活習性不同的魚類腸道菌群存在一定的差異。由此,未來可以更多地開展限制魚類腸道細菌多樣性特定因素的相關研究；此外,還應注意取樣部位也會對結果產(chǎn)生一定的影響,如小鱗犬牙南極魚中、后腸菌群就存在著較大的差異。

1.3 南極大型生物

1.3.1企鵝

眾所周知,禽類腸道菌群主要通過將食物降解并轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)物質(zhì)以便為宿主提供能量及通過分泌針對病原體的抗生素,從而維護宿主的健康,生長和繁殖[47- 49]。禽類腸道菌群的建立始于卵孵化階段,直到成年階段才趨于穩(wěn)定[50]。企鵝主要以磷蝦和南極魚類為食,是南極海洋生態(tài)系統(tǒng)中最重要的消費者之一。企鵝沉積的糞便通過提供有機物質(zhì)(例如,氮,有機碳和磷)使營養(yǎng)貧乏的南極土壤變得肥沃,這些富含營養(yǎng)的鳥糞土通常與多種細菌的繁殖有關,且與其它海鳥一樣,企鵝種群也容易受到環(huán)境的影響[51]。對不同鳥類腸道菌群的分析,發(fā)現(xiàn)宿主的系統(tǒng)發(fā)育、攝食和棲息地均會影響腸道微生物的組成,而宿主的影響也較大[52]。Banks等[53]發(fā)現(xiàn),阿德利企鵝(Pygoscelisadeliae)泄殖腔細菌群落存在種內(nèi)變異,表明宿主系統(tǒng)發(fā)育的影響比地理位置影響更大,且細菌群落可以遺傳至子代。

Dewar等[54]使用實時定量PCR與16S rRNA測序技術分析了南喬治亞島伯德島,克羅澤群島和澳大利亞菲利普島處于繁殖期的王企鵝(Aptenodytespatagonicus)、巴布亞企鵝(Pygoscelispapua)、麥克羅尼企鵝(Eudypteschrysolophus)和小藍企鵝(Eudyptulaminor)等的糞便細菌群落,檢測出13個門類微生物群,其中厚壁菌門,擬桿菌門(Bacteroidetes),變形菌門和梭桿菌門(Fusobacteria)為優(yōu)勢菌群,這與其它脊椎動物相似；但不同種的企鵝腸道菌群組成則存在著顯著的種間差異,其致因值得進一步研究。此外,Dewar等[54]還檢測出了已知病原體的存在,例如彎曲桿菌屬(Campylobacter)和幽門螺桿菌屬(Helicobacter)等。盡管這些菌種為人類和其它脊椎動物中已知的病原體,但對企鵝是否具有致病性需要進一步的研究。Yew等[55]研究了南奧克尼群島阿德利企鵝和帽帶企鵝(Pygoscelisantarctica)胃中的微生物,其結果進一步支持了Banks等[53]的發(fā)現(xiàn),提出帽帶企鵝個體間的菌群變異明顯高于兩個企鵝物種之間的變異,每個企鵝胃內(nèi)均有其獨特的菌群,并證實了攝食相關的細菌和海洋細菌存在于企鵝胃微生物群落中,這表明它們的攝食環(huán)境對體內(nèi)微生物具有一定的影響。Yew等[56]比較兩種企鵝的胃反芻物、泄殖腔內(nèi)容物和新鮮沉積的鳥糞之間的細菌群落組成,發(fā)現(xiàn)新鮮沉積的企鵝鳥糞與胃反芻物,泄殖腔內(nèi)容物菌群存在較大差異,認為企鵝中沉積鳥糞中的微生物無法廣泛代表胃腸道微生物群。造成不同種企鵝胃腸道菌群的差異及環(huán)境對體內(nèi)微生物影響的程度需要進一步擴大調(diào)查時間的跨度,如1年,以及進一步研究不同棲息地同種企鵝胃腸道菌群是否存在差異。

1.3.2海豹

哺乳動物出生時的腸道處于無菌狀態(tài),僅在發(fā)育過程中會定植不同的微生物[57]；隨著哺乳動物的年齡增長,腸道微生物通過攝食,活動和環(huán)境變化變得豐富[58]。水下生活方式的限制使得海洋哺乳動物在其進化過程中經(jīng)歷了較大的生理和生態(tài)適應,而許多適應性進化延長了海豹水下覓食時間[59],這可能對腸道微生物群的組成有影響。南象海豹(Miroungaleonina)和豹海豹(Hydrurgaleptonyx)為肉食性動物,均棲息在南大洋及南極,南象海豹捕食魚類,而豹海豹捕食部分海豹、磷蝦、企鵝和魚類等[60- 61]。Nelson等[62]收集了棲息于喬治王島的南象海豹、南極半島的豹海豹以及飼養(yǎng)在悉尼Taronga動物園的豹海豹糞便,利用標記PCR和基于16S rRNA基因測序的下一代測序技術對由糞便中提取的微生物DNA進行分析后發(fā)現(xiàn),南象海豹和豹海豹的腸道微生物群中厚壁菌門、梭桿菌門、變形菌門和擬桿菌門為優(yōu)勢菌群；豹海豹腸道微生物中變形菌門豐度較高,特別是嗜冷桿菌屬,這些細菌種類與磷蝦,阿德利企鵝和巴布亞企鵝有關,它們是豹海豹的常見攝食對象,這表明微生物可以通過捕食者的攝食定植到宿主腸道中。Nelson等[62]還發(fā)現(xiàn),腸道環(huán)境的理化特征會影響微生物的生存,南象海豹的腸道較長,其中可用氧氣會因此稀釋,故專性厭氧菌擬桿菌門豐度較高；相反地,γ-變形菌等兼性厭氧菌,在豹海豹的腸道中豐度更高。Kim等[63]利用16S擴增子測序研究了夏季喬治王島攝食習慣相似的南象海豹(Miroungaleonina)和威德爾氏海豹(Leptonychotesweddelli)的糞便微生物群,發(fā)現(xiàn)兩種海豹腸道菌群在門的水平上相對豐度無明顯差異,但在科的水平上,海豹種類與性別之間的菌群豐度差異顯著。兩種海豹腸道微生物中厚壁菌門,擬桿菌門,梭桿菌門,變形菌門和軟壁菌門為優(yōu)勢菌群[63],威德爾氏海豹腸道菌群的平均豐度高于南象海豹,兩種海豹攝食略有差異,但均捕食魚類和頭足類；因此,作者推測宿主發(fā)育可能是影響腸道微生物組成的重要因素；愛德華氏菌屬(Edwardsiella)只出現(xiàn)在雄性南象海豹腸道中,但由于樣本量太少,無法揭示造成這種現(xiàn)象的原因。該研究預測了海豹腸道菌群的代謝潛力,發(fā)現(xiàn)與分類學組成結果不同,微生物功能群落組成和腸道代謝物譜在宿主物種或性別上無明顯區(qū)別。上述研究均表明,厚壁菌門、梭桿菌門、變形菌門和擬桿菌門為海豹的優(yōu)勢菌群,但相對豐度會受到種類、性別的影響；目前對于海豹的研究較多集中在夏季,對于其它季節(jié)海豹腸道菌群的狀況需進一步研究。

2 總結與展望

綜合南極具有代表性生物腸道微生物研究可以發(fā)現(xiàn),磷蝦、魚類、企鵝與海豹中普遍存在厚壁菌門和變形菌門。對同一科不同種生物的研究可以發(fā)現(xiàn),雖然腸道微生物的優(yōu)勢菌群門類相似,但各種微生物的相對豐度存在較大差異,推測造成差異的原因與宿主發(fā)育狀況,營養(yǎng)水平,性別等有關,但局限于樣本數(shù)量,缺乏樣本生理學數(shù)據(jù),部分推測尚未得到證實,如裸燈魚屬魚類營養(yǎng)級較電燈魚屬和原燈籠魚屬魚類高是否會造成腸道菌群與其它兩個屬不同[38]；愛德華氏菌屬僅在雄性南象海豹中檢測到是否僅與性別有關[63]。此外,對南極海洋生物腸道微生物的研究大多集中在較短的時期(如夏季)內(nèi),尚未有針對某一生物全年的腸道微生物組成結構的調(diào)查；采樣地點也較為有限,大多集中于某一海域范圍內(nèi),缺少對磷蝦等環(huán)南極分布生物的全面調(diào)查,這對于多數(shù)呈環(huán)南極分布的海洋生物(如磷蝦,魚類、企鵝、海豹及鯨魚等)而言,尚無法闡釋腸道菌落區(qū)域性與季節(jié)性差異的致因,這也限制了腸道微生物在生態(tài)學研究上的指示作用。

當前對南極的微生物研究大多集中在南極地區(qū)的土壤、海冰等區(qū)域，比如由南極土壤中發(fā)現(xiàn)的一種南極紫色小桿菌屬非致病性細菌中分離出具有廣泛抗腫瘤，抑菌和抗生素潛力的紫羅蘭素。此前，此類紫羅蘭素大多被發(fā)現(xiàn)存在于致病性細菌——紫色色桿菌(Chromobacteriumviolaceum)中，其藥物潛力一直未得到開發(fā)，這一發(fā)現(xiàn)為紫羅蘭素在制藥的應用開辟了道路[64]。而雖然對于南極生物消化道內(nèi)的微生物組成認識不斷增加,但仍有一些問題值得進一步研究。例如,現(xiàn)有方法是否能使魚類固有的微生物與魚類周圍環(huán)境或消化道內(nèi)食物中可能存在的微生物有效區(qū)分開來？宏基因組學的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)了大量過去無法得知的微生物種類,對了解微生物組成、進化和代謝具有重要意義[65]。未來研究較大的挑戰(zhàn)之一便是要建立微生物組結構和功能與宿主的健康狀況、年齡、遺傳背景、地理位置以及其它個體差異的相關性,并揭示不同微生物在消化道菌群中的潛在作用,增進對南極生物應對氣候變化以及宿主物種與腸道菌群之間相互作用和共同進化的理解。