阶段特异性共生微生物在苔海绵幼体发育中作用及其机制研究

Marine sponge (phylum Porifera) development is the critical focus in search for the origin and evolution of multicellular animals, and the construction and sustainable development of sponge reef ecosystem. Marine sponges represent the prominent holobiont for such complex symbioses. Microbial community dynamics are associated with marine sponge in life cycle, particularly from gastrulation to metamorphosis. In previous work, we had established the correlation with characters of larval gastrulation and settlement response to stage-specific symbiotic microbes. In this study, the most important question is how symbiotic microbes participate and manipulate the larval development of sponge. Firstly, the distribution and location of stage-specific bacteria in sponge Tedania sp. (Demospongiae) will be investigated to understand microbial transmission and sponge’s selection strategy to symbiotic microbes. Secondly, the metabolites, extracellular component and biofilms of stage-specific bacteria were testified to promote sponge gastrulation, settlement and metamorphosis. Based on this result, bacterial genomic will be mined and subsequently the related functional genes will be further confirmed. Finally, the microbial community dynamics, and functional gene pathways/networks will be extracted and systematically compared to describe the synergistic effect of microbial communities. The study will pave a solid foundation for further exploration of the microbial evolution, microbial function and primitive symbiosis mechanism. Furthermore, it will provide data for understanding sponge developmental biology, and the construction and prosperous of sponge reef ecosystems.

海绵动物发育是研究多细胞动物起源、进化和海绵礁生态系统构建、发展的聚焦点。海绵共生体中，共生微生物组成从宿主幼体形成至附着变态期间发生了剧烈变化。在已找到阶段特异性微生物并建立与海绵幼体发育响应关系的基础上，本申请针对“共生微生物如何参与调控海绵幼体发育”的科学问题，以苔海绵为研究对象，①从幼体发育阶段特异性细菌在海绵中分布，探析微生物传递方式及海绵对微生物的选择策略；②开展特异性细菌代谢组分、胞外结构及菌膜对幼体形成、存活及附着影响的实验，结合基因组学筛选、验证特征功能基因，并探讨其分子机制；③在特异性细菌作用下，结合微生物群落结构的动态变化和特征基因网络谱，研究微生物群落间协同作用。通过研究幼体发育时期特异性微生物作用及其机制进一步了解共生微生物在海绵幼体发育中的演变过程，生物学功能及参与多细胞动物发育的共生机制，同时也为深入了解海绵动物发育生物学及海绵礁生态系统的兴起、繁盛奠定基础。

“生物共生”是地球上生命起源的早期生物的生存途径和法则。海绵是最原始的多细胞动物，经7亿年的协同进化，海绵与微生物细胞之间相互识别、相互选择、相互适应，形成了复杂多样的共生体系。但我们对“共生”仍知之甚少，尤其在微生物参与海绵生长发育方面。本课题从挖掘海绵生长发育阶段特异性共附生微生物入手，建立其与宿主之间对应关系，采用多组学联合分析建立核心微生物与宿主互作的“证据链”并加以验证，深入探讨共附生微生物参与海绵生长发育的作用机制，获得如下结果：①完成了苔海绵（Tedania sp.）从卵-胚胎-幼体-成体等不同阶段共附生微生物调查分析，了解不同发育阶段微生物群落结构、特异性微生物类群、微生物类群的传递方式，并进行了相关功能预测。发现拟杆菌类群在海绵幼体临附着阶段中急剧增加，而在成体阶段聚球藻丰度显著性增高。②研究聚焦于拟杆菌促进海绵幼体附着变态过程，通过研究不同拟杆菌种属的功能，首次提出拟杆菌可能通过分泌小信号分子、形成生物膜及释放外泌体等不同策略促进海绵幼体附着变态；并对拟杆菌在海绵幼体细胞中的内化进行了描述。③基于上述结果，对细菌外泌体促进幼体附着变态的机制进行了深入研究。通过细菌基因组学、外泌体代谢组学及海绵幼体转录组学联合分析，对外泌体携带精氨酸促进幼体附着的生物学机制进行了深入研究。同时通过细菌外泌体作用下的海绵幼体转录组比较分析，发现幼体通过内吞、吞噬等方式来吸收外泌体；而在浮游阶段后半程，幼体通过释放吸收到胞内的外泌体内含物，来影响海绵生长发育相关的信号通路，从而促进海绵幼虫附着变态发育。本课题研究结果为进一步了解共生微生物在动物宿主中的动态演变及协同作用，参与多细胞动物发育的生物学机制提供证据，为深入了解海绵动物发育生物学及海绵礁生态系统的兴起、繁盛奠定基础，同时也为气候、环境变化对海洋微生物及海洋嵌套生态系统的影响提供了数据支持。