厦门大学赵晶团队揭示海绵共生微生物通过多聚磷酸盐协同宿主应对气候变暖！

科研动态

近日，厦门大学海洋与地球学院赵晶团队在海绵对海洋变暖的响应机制方面取得新进展，相关成果以“Microbiome-mediated polyphosphate accumulation enhances the resilience of sponge holobionts to future climate scenarios”为题发表于国际权威期刊The ISME Journal。该研究聚焦海绵这一典型的“海洋生态系统工程师”，揭示其共生微生物通过调控多聚磷酸盐（polyphosphate，PolyP）动态积累增强宿主热胁迫耐受性的分子机制，为理解气候变化背景下海绵共生体的适应策略提供新视角。

图1. 海绵Spongia sp.和Haliclona simulans应对海洋变暖的适应能力存在差异

研究背景

在全球海洋变暖背景下，海洋底栖生态系统的稳定性正面临严峻挑战。海绵作为海洋营养盐周转的关键参与者，被认为是未来海洋环境的潜在“赢家”，但其应对海洋变暖的适应机制尚缺乏系统认知。PolyP作为一种重要磷储备物质，已被推测参与生物应激响应，然而其在共生功能体内的动态积累规律及调控机制尚不明确。因此，解析共生微生物如何介导PolyP积累，并阐明宿主-微生物互作，是揭示海绵气候韧性形成机制的关键。

研究结果

1.聚磷动态：季节驱动下的磷积累差异

通过对三种海绵（Spongia sp.、Tedania sp.和Haliclona simulans）的全年监测发现，其体内PolyP积累呈现出显著的季节性规律：夏季（6月）含量最高，冬季（11月-次年1月）降至最低。其中，Spongia sp.表现最为突出，夏季PolyP浓度高达1.94 mg/g，是同月份Tedania sp.的2倍、H. simulans的10倍以上。荧光显微成像也证实了这一结果：Spongia sp.组织内充满了密集的PolyP颗粒，而H. simulans仅见稀疏分布。相关性分析进一步揭示，PolyP的积累与海水温度呈显著正相关，暗示升温可能触发了海绵的“储能”模式。

图2. 不同海绵PolyP含量及其与环境因子相关性。（A）海绵中PolyP水平月际变化；（B）PolyP水平与环境因子相关性；（C）荧光显微镜下海绵组织PolyP颗粒可视化。绿色荧光颗粒为高浓度PolyP颗粒。S = Spongia sp., T = Tedania sp., H = H. simulans

2. 微生物溯源：从聚磷微生物到基因表达调控

通过设计ppk1基因的高覆盖度引物，对海绵聚磷微生物组成进行解析。结果显示，各海绵聚磷微生物群落结构在季节更替中保持相对稳定，且以细菌群落为主。然而，RT-qPCR检测表明，ppk1表达水平随季节剧烈波动：在夏季高温期（6月），Songia sp.体内ppk1表达水平较1月激增9倍，且其表达量始终维持在另外两种海绵的2-3倍，这一趋势与PolyP的积累曲线高度吻合，确立了“基因表达而非微生物组成改变驱动磷储备”的核心机制。

图3. 不同月份下聚磷微生物群落结构和基因表达。（A）聚磷微生物群落的Shannon指数；（B）聚磷微生物群落构；（C-D）门水平（C）和属水平（D）聚磷微生物物种组成；（E-G）不同月份ppk1基因的表达。 S = Spongia sp., T = Tedania sp., H = H. simulans

3. 升温验证：从微生物群落稳态到基因响应

升温模拟实验中，Spongia sp.在32℃下仅见轻微生理反应且无死亡，而H. simulans在两天内即出现组织严重坏死与白化。尽管升温未显著改变两种海绵共生细菌的群落结构与α多样性（PERMANOVA检验，P > 0.05），但共生微生物ppk1基因表达量却随温度升高显著上调，32℃时达到26℃时的2‑3倍。该模式进一步证实“微生物组成稳定、功能基因增强”的响应策略，支持了ppk1介导的PolyP积累是海绵获得高热韧性的主要驱动力。

图4. 海绵在热应激下的图片（A）及实验过程中物理化学参数的变化（B）

4. 宿主应答：从免疫激活到能量代谢重塑

基于宿主转录组，升温胁迫下Spongia sp.差异表达基因数量显著多于H. simulans。GO富集和KEGG通路分析表明，Spongia sp.通过增强先天免疫、脂质代谢与能量合成途径维持稳态；而H. simulans则表现为蛋白质水解与炎症信号增强。值得注意的是，Spongia sp.中氧化磷酸化途径相关的焦磷酸酶活性（pyrophosphatase activity）和ATP结合（ATP binding）以及ATP水解酶活性（ATPase activity）基因表达均显著提高。RT-qPCR进一步验证了ppa基因在升温条件下显著上调，为“微生物产PolyP-宿主耗能利用”的协同适应策略提供证据。

图5. 海绵宿主转录组分析。（A）KOs的PCoA图；（B）GO富集分析；（C- D）海绵宿主ppa基因的表达。S = Spongia sp., H = H. simulans。数字表示暴露温度

结论与展望

该研究揭示了海绵共生微生物通过ppk1基因驱动PolyP的高效合成，为宿主提供抵御热胁迫提供能量代谢支撑，阐明了海绵应对气候变暖的关键“自救”路径。Spongia sp.凭借高效的氧化磷酸化代谢与能量调控展现出较强的热韧性，而H. simulans则可能因物种特异性差异和PolyP储备不足而趋于生理崩溃。未来工作将拓展至更多海绵物种，系统评估PolyP动态作为海洋升温早期预警指标的适用性，为预测气候危机下珊瑚礁生态系统的演变趋势提供重要理论依据。

研究团队及资助

该论文第一作者为厦门大学海洋与地球学院2020级博士毕业生甘碧芙，通讯作者为赵晶教授和丁少雄教授。其他作者包括硕士研究生杨晨昱，博士研究生贾宸政，博士研究生王凯及陈军教授。研究得到了国家重点研发计划课题、福建省自然科学基金项目及MEL 2023年度自主研究课题“揭榜挂帅”项目的联合资助。

论文来源及链接

Bifu Gan, Chenyu Yang, Chenzheng Jia, Kai Wang, Jun Chen, Shaoxiong Ding*, & Jing Zhao* (2026). Microbiome-mediated polyphosphate accumulation enhances the resilience of sponge holobionts to future climate scenarios. The ISME Journal.

https://academic.oup.com/ismej/article/20/1/wrag128/8698006?login=true

供稿 | 赵晶教授团队

编辑 | 苏颖

排版 | 方偲媛

审核 | 王智 曹知勉 钟书库

• 信息来源：厦门大学海洋与地球学院。

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