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mBio minireview: 海洋中的真菌:现存的未解之题

Journal: mBio

Published: 5 March 2019

Corresponding: Amy S. Gladfelter

Address:

Department of Biology, University of North Carolina at Chapel Hill, Chapel Hill, North Carolina, USA;

Marine Biological Laboratory, Woods Hole, Massachusetts, USA

前言

地球上真菌种类约150 ~500多万,但到目前只有不到10%的真菌被发现,且这些物种中与海洋环境有关的比例很小。虽然在每一个海洋环境都发现了真菌,但目前也仅发现了1100种。

真菌被认为是浮游植物群落和生物碳泵的重要组成部分,许多真菌已被确定为海洋动物(如珊瑚和海绵)、植物和藻类的共生体或病原体。尽管真核生物在海洋生态系统中扮演着不同的角色,但人们对其主要分支的多样性及其生态功能知之甚少。

本文的观点来自于2018年5月在马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室举办的海洋真菌研讨会。作者提出了关于海洋生物圈和地球化学循环中真菌的多样性和功能的认识状况以及许多悬而未决的问题。

海洋中有哪些真菌

海洋中发现的很多真菌在陆地生态系统中也能被发现,因此海洋真菌学领域的一个挑战是如何确定哪些真菌是真正的“海洋”真菌。

对海洋真菌多样性和分布的了解,在很大程度上取决于采用的方法。早期研究主要集中于植物和藻类相关的物种(可形成明显的宏观生殖结构)及培养基中易于培养的物种。采样主要也集中在近岸。近年来,基于DNA的技术得以在更广泛的栖息地范围内研究稀有的及未培养的真菌。

真菌多样性长期以来一直是陆地多样性的同义词。虽然估计海洋真菌的数量可能超10000种,但是长久以来海洋真菌在很大程度上都被忽视了。目前几乎在每一个海洋栖息地都发现了真菌,包括沉积物、水层、浮木、固着的和可移动的无脊椎动物、藻类和海洋哺乳动物,分布范围从深海一直到地表水。

迄今为止,从海洋环境中鉴定出的绝大多数真菌都属于子囊菌和担子菌(Ascomycota and Basidiomycota phyla),与是否使用培养、显微镜或基于DNA的方法无关。海洋和水生真菌在相对较高的分类级别也还含有大量新的和未描述的物种。特别值得注意的是大量属于早期分化谱系(early diverging lineages)的物种,如壶菌纲(Chytridiomycota),它们往往在近岸和沉积物样本中丰度很高。这些群体中目前已知的多样性几乎完全是基于环境测序数据,即所谓的暗物质真菌(dark matter fungi)。另外,在海洋真菌多样性的研究中,经常观察到来自陆地生境的新物种,即使这些海洋样本是从远离陆地输入的地方所采集。

Pang等人提出了海洋真菌的广义定义,即“任何从海洋栖息地可反复得到的真菌,并且:1)能够在海洋环境中生长和/或产生孢子;2)与其他海洋生物形成共生关系; 或3)在遗传水平上能够适应和进化,或者在海洋环境中代谢活跃。”

Pang et al. have proposed the broad definition that a marine fungus is “any fungus that is recovered repeatedly from marine habitats and: 1) is able to grow and/or sporulate (on substrata) in marine environments; 2) forms symbiotic relationships with other marine organisms; or 3) is shown to adapt and evolve at the genetic level or be metabolically active in marine environments.”

表征海洋真菌群落存在的挑战

目前基于ITS rDNA扩增子测序技术的引物特异性不够好。扩增真菌的同时还会扩增其他真核生物如浮游动物、无脊椎动物或植物宿主。且ITS rDNA区域引物的设计大部分使用陆地真菌的代表序列进行比对,并且极大地偏向于陆地双核亚菌(担子菌纲和子囊菌纲),也导致了对海洋真菌覆盖度很低。基于此对于海洋真菌目前使用的引物和扩增区域都非常多,给不同数据之间的整合带来了很大的困难。此外,单凭宏基因组测序和基于扩增的方法无法区分代谢活性真菌和真正的海洋真菌(Pang等人的定义),更无法解释这些真菌如何影响生态系统过程和宿主健康。因此,需要更多的证据来确定海洋生态系统中主要真菌的特征。

作者提出了一些建议:

建立一套标准化的采样、样本处理流程、引物选择和元数据。海洋真菌学家和相关领域的研究人员之间的持续合作、协作和交流将有助于实现更多的研究成果。

进行全球尺度的调查研究,确定多样性热点地区和研究的重点。

用来自海洋的样本填充现有的序列数据库和基因组资源。

真菌和海洋生物圈如何相互作用

对陆地系统中真菌-生物相互作用的研究研究较多,但对水生环境,特别是海洋环境中真菌-生物相互作用的了解却少得多。目前的研究表明,所有已知的门水平上的代表真菌与迄今为止研究的几乎所有海洋生物都有联系。

尽管关于海洋真菌生物相互作用性质的数据很少,但宿主特异性、共同进化或系统共生感知(phylosymbiosis sensu)的研究表明,至少一些共生是由宿主决定的,而不仅仅是随机相关。

海洋海绵中收集得到的不同真菌

真菌如何影响海洋生物地球化学循环

本段主要讨论真菌在海洋碳循环(marine carbon cycle, MCC)中的作用,以及它们对人源碳氢化合物(如石油和塑料)降解的贡献。

MCC是由地表透光带光合浮游植物驱动的一个重要的地球系统过程,它将溶解的无机碳转化为有机物并产生氧气。浮游植物及其产生的有机物是海洋食物网的基础,为异养细菌、原生生物、病毒、浮游动物以及鱼类和海洋哺乳动物在内的高级营养有机体提供营养。在透光带产生的有机物中,有一部分由生物碳泵通过中远洋和深海带以“海洋雪”(marine snow)的形式下沉,从地表水中分离出被隔离的碳,并将其转移到深海。一个关键的问题是真菌在此过程中对生物碳泵的贡献有多大。

定量微生物生物量,包括固定存量和周转率,对于我们了解微生物在海洋生态系统中所起的功能作用是必不可少的。到目前为止,只有少数研究评估了海洋水层中的真菌生物量。水体中真菌生物量随深度呈单调下降趋势,具有季节性循环,与原核生物生物量相当,与浮游植物生物量的增加相吻合。这些发现挑战了目前认为细菌和古生菌是海洋表面异养微生物生物量的主要贡献者的观点。真菌生物量在海洋生态系统碳通量模型(carbon flux models)中的意义仍是一个亟待解决的问题。

真菌的活性不仅局限于水体,可能在海洋沉积物中更为显著。基于rRNA的活性真核生物生物量评估表明,真菌可以在这些生态系统中占据主导地位,特别是在含有较高有机碳的沉积物中。

真菌通过处理浮游植物产生有机物在海洋碳循环中发挥作用。

寄生真菌和腐生真菌直接吸收浮游植物的有机碳。

通过释放动物孢子,真菌架起了与浮游动物之间营养联系的桥梁。

通过改变微粒和溶解的有机碳,它们可以影响细菌和微生物循环。

这些过程可能改变海洋雪的化学成分和生物碳泵的后续功能。

除了自然的碳循环,真菌在人源碳源的循环上也发挥着重要作用。在墨西哥湾原油泄漏之后评估了沿岸沉积物的微生物多样性,发现真菌在受原油影响的底栖生物群落中占主导地位,其中包括很多已知的可降解碳氢化合物的类群。

在石油污染的沉积物中,真菌可能通过分泌胞外酶降解高分子量碳氢化合物,并与石油降解细菌协同工作。真菌被认为对碳氢化合物具有较高的耐受性,已知有100多个属在土壤和沉积物中碳氢化合物的生物降解过程中发挥重要作用。丝状真菌如枝孢菌和曲霉是已知的参与脂肪族烃降解的真菌,青霉、镰孢菌、毛霉和曲霉是已知的参与芳香烃降解的真菌。虽然目前研究的大多数丝状真菌不能完全矿化芳香烃,但真菌可能与其他微生物一起参与降解。

塑料已成为环境中最常见的废物,对环境和全球构成重大和日益严重的威胁,每年从陆地进入海洋的塑料废物达480万至1270万公吨。最新的深海塑料污染现象已在>6000m的深度处发现。代谢组学的方法揭示了与海洋塑料废弃物相关的不同真核生物群落,塑料类型主要为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP),与之相关的优势类群为硅藻、蕨类、绿藻和真菌。迄今为止,只有一项研究强调了沿海海洋真菌Zalerion maritimum在最小培养基(minimal medium)培养时降解PE的能力。尽管海洋真菌具有重要的生态意义,但与海洋垃圾相关的海洋真菌群落在很大程度上被忽视了。目前的概念研究正在为更好地了解它们的丰富度、分布模式、多样性和降解塑料聚合物的能力铺平道路。

建立海洋真菌模型系统

除了需要在海洋的生物环境和地质环境中对真菌进行更仔细的研究外,同样关键的需要是在实验室中培养和操纵真菌,以便对它们的进化和生态功能机制进行了解。我们目前缺乏研究海洋真菌的细胞生物学和遗传学所必需的分子操作工具。主要的挑战是选择和定义代表海洋环境的真菌模型系统,这将取决于环境和采样。在目前对海洋真菌学的理解中,一个模型系统可以由一个单一的真菌物种;或包含在一个给定栖息地或生态系统(例如海洋植物、海洋海绵、珊瑚和其他无脊椎动物和/或海洋脊椎动物)中的整个群落来定义。理想情况下,模型系统的开发应同时受到生态和进化环境的影响,所选的真菌菌株应可转化且易于操作。这部分将讨论模型系统选择的标准、该领域面临的挑战、模型开发中的成功案例以及未来的目标。

模型的理想属性可能包括真菌在培养基中轴向生长的能力、具有遗传转化的潜力、高质量的注释参考基因组、多种分离物的可用性,以及已知的、密切相关的陆生分类群的存在。这可能有助于阐明对海洋环境的具体适应。建立代表真菌多样性广度的模型(不仅仅是双核亚菌)也将是理想的。

目前已经有了一些真菌的全基因组。如

Corollospora maritima

https://genome.jgi.doe.gov/Corma2/Corma2.home.html

Microascus trigonosporus

https://genome.jgi.doe.gov/Mictr1/Mictr1.home.html

在建立新的海洋真菌模型方面存在着各种各样的挑战:缺乏培养/分离的共享数据储存库、缺乏可用的深层RNAseq或蛋白质组数据集。现代海洋真菌学的一个主要挑战,正如微生物学一样,是无法容易地培养通过宏基因组研究揭示的大多数微生物群体。另外,一些专性真菌可能很难在它们的宿主之外进行研究;一些宿主如海绵,可能很难在实验室环境中一直维持生长。

最新的有关海洋真菌的新物种及文献信息可查询:

http://www.marinefungi.org/.

本文分享自微信公众号 - Listenlii(gh_1a9e56035563),作者:水岸风堤

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原始发表时间:2019-03-10

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