珊瑚微生物：藏在珊瑚里的未知基因与天然化合物宝库

珊瑚礁是地球上生物多样性最丰富、生产力最高的生态系统之一。尽管仅占海底面积的0.2%，却栖息着三分之一的已命名海洋多细胞物种，为全球数百万人提供食物、生计和海岸防护等生态服务，也是生物活性代谢物的来源。然而，自20世纪50年代以来，受气候变化、新兴疾病和其他人为压力影响，活珊瑚覆盖率下降超50%，且预计还将继续减少，因此亟需了解生物多样性丧失带来的风险。

造礁珊瑚（如石珊瑚和火珊瑚）的生态功能支撑着 reef 系统的生物多样性、生产力和结构复杂性。这些固着无脊椎动物依赖多样化的微生物群落（微生物组），微生物组为宿主提供碳、氮、磷等关键营养物质、维生素和必需氨基酸，帮助宿主应对环境变化并抵御传染病。虽然在海绵和软珊瑚等其他 reef 无脊椎动物中已发现多种具有抗菌、抗炎和抗肿瘤活性的代谢物（部分已进入临床试验），但造礁珊瑚微生物组的生物活性潜力却知之甚少。

传统生物活性代谢物的发现依赖于筛选无脊椎动物宿主的化学提取物（可能需要不可持续的生物量）或宿主分离的微生物生产者，但后者受限于多数微生物难以在实验室培养。近年来，通过筛选重建的基因组序列发现与生物合成基因簇（BGCs）相关的代谢途径成为新策略，然而造礁珊瑚微生物组的此类基因组信息仍很稀缺。

本研究旨在系统探索造礁珊瑚微生物组的基因组解析多样性、宿主特异性和BGC编码的生物合成潜力，与其他 reef 宿主（如海绵）和周围环境的微生物组进行比较，并确定珊瑚是否存在富含BGC的谱系作为有前景的生物技术目标。为此，研究人员从“塔拉太平洋”探险采集的造礁珊瑚样本及公开的珊瑚礁宏基因组数据中重建了超过13,000个宏基因组组装基因组（MAGs）。在总共4,224个微生物物种中，近90%（或塔拉太平洋样本中99%的物种）此前无基因组解析信息。珊瑚和海绵微生物组具有高度宿主特异性，造礁珊瑚（尤其是火珊瑚）的生物合成潜力（每微生物物种）与海绵或周围水域相当甚至更丰富。通过发现新的富含生物合成的细菌谱系，并在珊瑚相关酸杆菌门物种中表征不寻常的酶学和生物活性化合物，本研究不仅强调了造礁珊瑚的生物技术价值，也揭示了其潜在消失带来的影响。

为填补造礁珊瑚微生物基因组数据的空白，研究团队在2016-2018年“塔拉太平洋”探险中，从太平洋32个岛屿的99个 reef 采集了820个造礁珊瑚（石珊瑚属、鹿角珊瑚属和火珊瑚属）宏基因组，并补充了412个珊瑚样本和371个海绵样本的公开宏基因组数据。应用生物信息学流程重建了13,446个珊瑚和海绵相关的细菌和古菌MAGs，其中1,524个来自塔拉太平洋样本（主要来自火珊瑚）。这些努力使珊瑚相关MAGs数量增加了十倍，并建立了“Reef Microbiomics Database（RMD）”。

RMD的建立揭示了微生物物种的基因组新颖性：4,224个物种中近90%（3,774个）及塔拉太平洋珊瑚中99%（638个）的物种在基因组分类数据库（GTDB）中不存在。珊瑚和海绵微生物组高度宿主特异性，95%的微生物物种特定于某一宿主属，且珊瑚微生物组与海水微生物组差异显著，珊瑚相关微生物在海水中的检出率和丰度随距离宿主增加而降低。

功能和生物合成潜力分析显示，reef 微生物组每个物种的基因数量（平均3,857个）高于开阔海洋微生物组（2,135个），基因组更大（3.6 Mbp vs 2.2 Mbp），且富含与宿主感染和共生建立相关的真核样蛋白（ELPs），未表征基因比例更高（34% vs 16%）。reef 微生物组的生物合成基因簇家族（GCFs）丰富度（每物种1.57个）高于海洋微生物组（0.71个），且64%的GCFs为新发现。造礁珊瑚（火珊瑚每物种4.0个GCFs，石珊瑚2.7个）的生物合成潜力在标准化采样 effort 后高于海绵，尤其富含非核糖体肽合成酶等生物技术重要类群。

研究还鉴定出20个候选富含BGC的微生物物种（“超级生产者”），来自酸杆菌门、变形菌门等5个门，均未在GTDB中出现，其中造礁珊瑚（尤其是火珊瑚）含比例最高。对酸杆菌门的深入研究发现其富含BGCs，通过长读长测序重建了高质量基因组，验证了BGC含量。功能表征显示，酸杆菌门的新型RiPP BGCs编码未知酶学，如GMC家族氧化还原酶催化噻唑形成，对人中性粒细胞弹性蛋白酶有抑制活性，具有生物技术应用前景。

综上，本研究通过“塔拉太平洋”探险的系统性采样，获得了大量宿主特异性、此前未有的珊瑚相关微生物基因组信息。比较分析表明石珊瑚和火珊瑚富含新的微生物编码BGCs及BGC-rich谱系，其巨大的未开发生物合成潜力为可持续生物勘探提供前景，但也凸显了在人为压力下珊瑚礁及其支持的独特微生物多样性丧失的风险。