基于高通量测序的冷泉区海绵Myxilla methanophila共生菌代谢方式和共生机制的研究

As one of the oldest and most primitive metazoans, sponges are drawn attentions because of the biotechnology and medical values of their abundant natural products and also because of their intimate relationships with diverse and dense microbes. The microbial community composition of sponges has been widely studied. However, the study of metabolic mechanisms of sponge symbionts and their relationships with the sponge host at the genome level are rare, because most of the sponge symbionts are unculturable. The development of bioinformatics provides new choice. In this project, microbial community of the sponge Myxilla methanophila collected from a cold seep of the Gulf of Mexico will be subjected to high throughput sequencing, and the newest bioinformatic pipelines will be employed to extract the genomes of sponge symbionts from metagenomic data. Singe-cell genome sequencing is a supplementary method to obtain genomes of the sponge symbionts that cannot be extracted from the metagenomic data. This project will allow us to characterize the methane-oxidizing and thiotrophic mechanisms of sponge symbionts in the cold seep, the relationships between sponge symbionts, and the roles of sponge symbionts in the sponge host.

海绵是一种最古老最原始的水生多细胞生物，因为其所蕴藏的丰富的天然活性产物以及与微生物之间所形成的紧密关系而备受关注。目前对海绵相关微生物的多样性和丰度已经有很深入的认识，但对海绵共生菌的物质能量代谢方式和共生机制的了解却并不多。获取共生菌的基因组，从基因组学水平上进行分析是解决这一问题最有效的策略之一，但受限于大多数海绵共生微生物是未可培养的。生物信息学的发展为克服微生物的未可培养的难题创造了条件。本项目将以墨西哥湾冷泉区的海绵Myxilla methanophila为研究对象，进行高通量测序，通过生物信息学方法从宏基因组中分拣单个海绵共生菌的基因组，并结合单细胞分选和基因组扩增测序的方法，获取海绵几个主要共生菌的基因组框架图，从而在基因组学水平上揭示海绵M. methanophila共生菌与冷泉区中甲烷及硫相关的代谢和环境适应机制，并阐明共生菌之间、共生菌与海绵宿主之间的相互作用关系。

海绵是一种最古老最原始的水生多细胞生物，因为其所蕴藏的丰富的天然活性产物以及与微生物之间所形成的紧密关系而备受关注。相对于其生存环境和种类的多样性，目前对海绵共生微生物的群落结构和功能特征方面的研究却并不多。在本项目中，利用宏基因组学数据和新的生物信息学分析方法，我们研究了墨西哥湾冷泉区海绵Myxilla methanophila的共生微生物群落结构及其在基因组水平上的功能特征。 我们从海绵M. methanophila共分离获得三个高质量的共生菌基因组草图序列。其中，可能的硫氧化菌SUP05是海绵的优势共生菌。与其他共生SUP05类似，海绵共生的SUP05也发生了典型的基因组简化现象。Cycloclasticus是此海绵中第二种高丰度的共生菌类群。在先前的研究中，根据其与游离性Cycloclasticus高度同源性，推测海绵共生菌Cycloclasticus拥有芳香烃类化合物降解（PAH）功能。但所获得的基因组表明该海绵共生菌不拥有编码PAH降解酶的功能基因，反而可能在降解短链烷烃过程中发挥作用。通过本研究，我们在宏基因组学水平上重新认识了海绵M. methanophila的共生菌群落结构和基因组水平上的功能特征。.与此同时，在本项目的支持下，我们也开展了南中国海的海绵及其共生微生物群落结构方面的研究。我们在南中国海晋卿岛近海海域首次发现了海绵Dactylospongia elegans的样本。随后，对其原核生物群落结构进行了研究。结果表明，该海绵的共生物微生物群落结构以变形杆菌门为主。在OTU水平上进一步分析则表明海绵专有的蓝细菌“Candidatus Synechococcus spongiarum”是该海绵主要的共生菌，其次为绿弯菌门和酸杆菌门的OTU。宏基因组水平上的分析发现，海绵杆菌门的共生菌具有很高的丰度，仅仅低于共生蓝细菌。通过对宏基因组的组装，我们获得了六个很完整的基因组，分属于蓝细菌门、绿弯菌门、酸杆菌门和海绵杆菌门。类真核蛋白结构域在所有六个基因组中都有发现，表明共生菌与海绵宿主存在极为紧密的联系。已获得的六个高质量的海绵共生菌基因组为研究共生菌在海绵Dactylospongia elegans中所发挥的角色以及共生适应机制提供了理想的模型。