多组学分析揭示海带幼苗白化病致病生物组与宿主的相互作用Multi-omics analysis reveals the pathobiome-host interactions in the bleaching disease of the seaweed Saccharina japonica研究论文● 期刊Microbiome(IF:12.7)● DOIhttps://doi.org/10.1186/s40168-025-02235-2●原文链接: https://link.springer.com/article/10.1186/s40168-025-02235-22025年12月26日中国海洋大学王高歌团队在Microbiome在线发表了题为 “Multi-omics analysis reveals the pathobiome-host interactions in the bleaching disease of the seaweed Saccharina japonica” 的研究文章。本研究揭示了海带幼苗白化病致病生物组的核心类群、其潜在的致病机制及其与宿主之间的相互作用加深了对海带幼苗白化病发病机制的理解并为后续靶向防控策略的构建提供了理论依据。● 第一作者Mengxin Wang王梦欣● 通讯作者Gaoge Wang王高歌● 发表日期2025-12-26● 主要单位海洋生物多样性与进化教育部重点实验室、中国海洋大学海洋生命学院、海洋生物多样性与进化研究所MoE Key Laboratory of Evolution Marine Biodiversity, College of Marine Life Science, and Institute of Evolution Marine Biodiversity, Ocean University of China, Qingdao, 266003, China青岛美亚国际学校Qingdao Amerasia International School, Qingdao, 266003, China福建省连江官坞海产开发有限公司Fujian Lianjiang Guanwu Seafood Developing Product Co., Ltd, Guanwu, 350511, China威海长青海洋科技股份有限公司Weihai Changqing Ocean Science Technology Co., Ltd, Rongcheng, 264316, China摘要Abstract致病生物组Pathobiome概念提出疾病的发生与发展通常并非由单一病原体驱动而是与疾病相关的微生物群落及其与宿主之间的相互作用密切相关从而极大地拓展了对疾病病因学的认识。尽管在人类、动物和植物疾病领域致病生物组研究已取得了重要进展但与海藻疾病相关的致病生物组仍缺乏系统性地研究。海带Saccharina japonica是世界上重要的经济养殖海藻近年来在其育苗阶段频繁爆发白化病严重影响了健康种苗的供应及后续的海上养殖。然而目前对海带幼苗白化病的致病菌及其致病机制的认识仍相对有限从而无法建立有效的防控技术。结合多组学分析本研究解析了与海带幼苗白化病相关的致病生物组并进一步探究了其与宿主之间的相互作用。海带幼苗白化病的致病生物组由核心类群Bin_7Glaciecola sp.、Bin_12Arenicella sp. 017854775和 Bin_22Arenicella sp.构成其可能通过趋化、运动及毒素分泌等途径实现对宿主的定殖与侵染。与此同时白化病海带幼苗发生显著的代谢重编程将资源由生长转向防御表现为细胞壁强化、活性氧Reactive oxygen speciesROS爆发以及抗生素合成等防御通路的激活以抵御致病生物组的入侵。作为响应致病生物组核心类群同步激活与生物膜形成、抗氧化酶及抗生素抗性相关基因的表达以抵御宿主防御并实现持续侵染。因此海带幼苗白化病的爆发可能并非由单一致病菌驱动而是致病生物组与宿主之间动态博弈的结果该过程涉及多重毒力机制及宿主防御响应。本研究为阐明海带幼苗白化病的致病机制提供了理论基础。引言Introduction“致病生物组Pathobiome”是近年来微生物学与疾病生态学交叉领域的重要概念其核心在于突破传统“单一病原体-单一疾病”的简化模型转而强调疾病是由宿主、多种病原体及其共栖微生物在特定环境下的复杂相互作用所驱动导致的。致病生物组的概念最初由美国微生物与免疫学家Ryan于2013年首次提出现被广泛定义为一组与宿主相关的生物体包括原核生物、真核生物和病毒等其各组分之间的相互作用可导致宿主健康状况的降低。目前致病生物组相关研究已成为人类疾病、林木病害以及水产养殖动物疾病等领域的研究热点。然而致病生物组的概念在海藻病害研究领域尚未得到应用。尽管如此研究表明同一种海藻病害可能由多种致病菌共同驱动其中大部分为条件致病菌。条件致病菌指通常定殖于健康藻体表面在环境胁迫或宿主防御能力降低时转变为致病菌从而导致宿主病害的爆发。例如在盐度下降或光照减弱时存在于健康卡帕藻Kappaphycus alvarezii表面的Vibrio sp. P11与Cytophaga sp. P25迅速增殖并成为附生细菌群落的优势种从而诱发宿主的“冰-冰病Ice-ice disease”。类似地大型红藻Delisea pulchra的白化病同样与多种条件致病菌有关。16S rRNA基因扩增子与宏基因组分析显示与健康D. pulchra藻体共生的红细菌科Rhodobacteraceae、腐败螺旋菌科Saprospiraceae和黄杆菌科Flavobacteriaceae等细菌在高温且宿主防御能力降低时可转变为诱导宿主白化病的关键条件致病菌。值得注意的是没有任何单一菌株携带与宿主白化病相关的全部毒力基因且侵染实验发现系统发育上差异显著的多类细菌均可引起D. pulchra的组织白化这表明D. pulchra的白化病可能源于多种条件致病菌间的协同作用。尽管目前已鉴定出多种与海藻疾病相关的条件致病菌但其致病机制以及与海藻宿主的互作过程仍缺乏深入的认识。海带是我国重要的经济养殖海藻在其育苗与养殖过程中常面临多种病害威胁。其中白化病是近年来在海带育苗后期频繁爆发的一种细菌性病害对种苗供应及后续的海上养殖构成严重威胁。然而目前对海带幼苗白化病的致病菌及其致病机制的认识仍相对有限从而制约了有效防控体系的建立。为此本研究旨在运用显微观察技术探究海带幼苗白化病的病症特征同时结合宏基因组、宏转录组、转录组及非靶向代谢组学分析解析海带幼苗白化病致病生物组的核心类群、其潜在致病机制及其与宿主的复杂相互作用。研究结果可深化我们对海带幼苗白化病发病机制的理解并为制定有针对性的病害防控策略提供理论依据。结果Results海带幼苗白化病的病症特征与健康海带幼苗相比图1A白化病海带幼苗在其顶端部位呈现出明显的白化症状图1B黑色箭头所示。显微观察显示健康海带幼苗细胞中的色素体呈棕色、且分布均匀图1C。相比之下白化病海带幼苗细胞中的色素体呈现绿色或白色并聚集在细胞壁周围图1D黑色箭头所示。图1 | 健康及白化病海带幼苗的特征观察A苗帘上的健康海带幼苗。B苗帘上的白化病海带幼苗。C健康海带幼苗的显微特征。D白化病海带幼苗的显微特征。比例尺A200 μmB200 μmC25 μmD25 μm。健康与白化病海带幼苗的细菌群落差异为解析与海带幼苗白化病相关的微生物动态基于宏基因组与宏转录组数据对健康及白化病海带幼苗的细菌群落组成及其转录活性进行系统表征。基于Shannon指数的α多样性与基于主坐标分析评估的β多样性结果显示健康与白化病海带幼苗的细菌群落在多样性与整体结构上均无显著差异p 0.05。然而分类学分析揭示细菌群落的组成发生了显著改变。在门水平上变形菌门Proteobacteria是健康和白化病海带幼苗细菌群落中相对丰度最高的优势类群图2A。相比之下疣微菌门Verrucomicrobiota在健康海带幼苗的细菌群落中更为丰富而拟杆菌门Bacteroidota则在白化病海带幼苗的细菌群落中显著富集p 0.05图2A。在属水平上慢生根瘤菌属Bradyrhizobium、沙滩单胞菌属Litorimonas和亚硫酸盐杆菌属Sulfitobacter为健康海带幼苗细菌群落的主要优势属而海沙胞菌属Arenicella、极地杆菌属Polaribacter、SCGC-AAA160-P02属和NORP294属是白化病海带幼苗细菌群落的主要优势属p 0.05图2B。细菌群落的转录活性在健康与白化病海带幼苗之间亦呈显著性差异。在门水平上拟杆菌门在白化病海带幼苗细菌群落中的转录活性显著增加p 0.05图2C。在属水平上海沙胞菌属、动胶菌属Zoogloea、栖海冰菌属Glaciecola和极地杆菌属在白化病海带幼苗的细菌群落中均表现出更高的转录活性p 0.05图2D。综上与健康海带幼苗相比白化病海带幼苗的细菌群落在组成与转录活性层面均发生显著改变。图2 | 健康和白化病海带幼苗细菌群落的组成及转录活性A健康及白化病海带幼苗细菌群落在门水平的组成。B健康及白化病海带幼苗细菌群落在属水平的组成。C健康及白化病海带幼苗细菌群落在门水平的转录活性。D健康及白化病海带幼苗细菌群落在属水平的转录活性。B和D中的p值均基于Welch’s t检验获得*p 0.05**p 0.01***p 0.001误差线表示平均值±标准差mean ± SD。相对丰度分析n 3转录活性分析n 4。HS健康海带幼苗DS白化病海带幼苗。海带幼苗白化病致病生物组的核心类群及其潜在致病机制为进一步解析与海带幼苗白化病相关的致病生物组组成对宏基因组组装序列Contigs进行分箱Binning构建宏基因组组装基因组Metagenome-assembled genomesMAGs共获得37个中高质量的MAGs。其中分别有21个和23个MAGs在健康与白化病海带幼苗的细菌群落间呈现显著的相对丰度和转录活性差异p 0.05图3A。具体而言Bin_4Endobugula sp. 000209515、Bin_26Litorimonas sp.、Bin_27Akkermaniaceae、Bin_31Sulfitobacter sp.和Bin_33Endobugula sp.在健康海带幼苗的细菌群落中具有较高的相对丰度与转录活性p 0.05图3A相较之下Bin_2TMED27 sp.、Bin_6NORP294 sp.、Bin_7Glaciecola sp.、Bin_10Hyphomonadaceae、Bin_12Arenicella sp. 017854775、Bin_18JACESI01 sp.、Bin_21GCA-2708415 sp.及Bin_22Arenicella sp.则在白化病海带幼苗的细菌群落中显著富集并表现出更高的转录活性这表明这些类群可能是海带幼苗白化病致病生物组的关键类群p 0.05图3A。为确定海带幼苗白化病致病生物组的核心类群对在白化病海带幼苗细菌群落中显著富集、并具有高转录活性的MAGs进行基因功能注释。结果显示所分析的MAGs均携带毒力基因图3B。其中Bin_7Glaciecola sp.、Bin_12Arenicella sp. 017854775和Bin_22Arenicella sp.均有超过20%的毒力基因显著上调表达p 0.05且log₂FC 1图3B。基于其在白化病海带幼苗细菌群落中的显著富集及毒力基因的广泛激活Bin_7Glaciecola sp.、Bin_12Arenicella sp. 017854775与Bin_22Arenicella sp.被鉴定为海带幼苗白化病致病生物组的核心类群。为阐明海带幼苗白化病致病生物组核心类群Bin_7Glaciecola sp.、Bin_12Arenicella sp. 017854775与Bin_22Arenicella sp.的潜在致病机制对其显著上调表达的毒力基因进行了功能分类。结果显示不同核心类群的毒力基因功能谱存在显著差异这表明其可能通过不同的分子机制参与致病过程图3C。具体而言Bin_7Glaciecola sp.中与鞭毛组装相关的基因包括3个鞭毛蛋白FilC的编码基因显著上调表达Bin_12Arenicella sp. 017854775中与菌毛组装相关的基因包括1个Ⅳ型菌毛组装蛋白PilA的编码基因呈现显著高表达而Bin_22Arenicella sp.中与细胞毒素相关的基因1个溶血素TlyC的编码基因表达水平显著增加p 0.05且log₂FC 1图3D。此外热休克蛋白HtpG的编码基因在Bin_7Glaciecola sp.与Bin_12Arenicella sp. 017854775中均显著上调表达而与脂多糖合成相关的毒力基因则在Bin_12Arenicella sp. 017854775与Bin_22Arenicella sp.中显著诱导表达p 0.05且log₂FC 1图3D。同时抗氧化酶相关基因包括katG、SOD2、ahpC和ahpF在 Bin_7Glaciecola sp.与Bin_22Arenicella sp.中显著诱导表达p 0.05且log₂FC 1图3D。值得注意的是与植物细胞壁裂解酶、细菌分泌系统、双组份系统、全局毒力调控因子、生物被膜形成、群体感应、抗生素抗性及细菌趋化性相关的毒力基因在所有核心类群中均存在不同程度的上调表达p 0.05且log₂FC 1图3D。图3 | 海带幼苗白化病致病生物组核心类群的鉴定及其毒力基因表达模式A健康与白化病海带幼苗间MAGs的相对丰度及转录活性差异。图中仅展示在相对丰度或转录活性上存在显著差异的MAGs。其中在白化病海带幼苗中显著富集并具有高转录活性的MAGs以黄色区域标注。B潜在致病生物组MAGs的毒力基因数量及其显著上调表达的毒力基因数量。绿色柱表示基因组中的毒力基因数量红色柱表示显著上调表达的毒力基因数量。C致病生物组核心类群中显著上调表达的毒力基因的功能分类。每行代表一个特定功能类别类别名称标注于右侧红色表示存在该功能类别白色表示缺失。D致病生物组核心类群中显著上调表达的毒力基因热图。功能类别标注于左侧右侧为基因编号及名称。相对丰度分析n 3转录活性分析n 4。HS健康海带幼苗DS白化病海带幼苗。致病生物组核心类群介导的海带幼苗转录组重编程主坐标分析与置换多元方差分析结果显示健康与白化病海带幼苗的基因表达谱存在显著差异p 0.05图4A。具体而言在健康与白化病海带幼苗间共鉴定到983个差异表达基因其中492个差异表达基因在白化病海带幼苗中显著上调491个差异表达基因显著下调p 0.05且 |log₂FC| 1图4B。为解析上述海带幼苗转录变化的功能意义基于KEGG数据库对所有差异表达基因进行功能注释。其中共有204个差异表达基因成功注释至具体蛋白。值得注意的是与细胞壁强化如甘露糖醛酸C-5差向异构酶及纤维素合成酶编码基因、热休克反应2个热休克蛋白编码基因、活性氧Reactive oxygen speciesROS爆发与清除如呼吸爆发氧化酶、超氧化物歧化酶与过氧化物酶编码基因、细胞信号转导如2个ROCO家族LRR-GTPase编码基因、抗生素合成如23个钒依赖性碘过氧化物酶编码基因以及防御与胁迫响应21个基因相关的基因在白化病海带幼苗中显著上调表达p 0.05且 log₂FC 1图4C。相比之下显著下调的差异表达基因则主要涉及发育调控、光合作用、蛋白转运、能量代谢、损伤修复及细胞器组织等过程。在此基础上为验证转录组测序结果的可靠性随机选取7个来源于不同功能通路的差异表达基因进行qRT-PCR验证所得表达变化趋势与RNA-seq结果一致。为检验海带幼苗的转录变化是否与致病生物组的侵染相关选取相对丰度最高的前30个差异表达基因与致病生物组核心类群进行相关性分析。结果显示多数差异表达基因与致病生物组核心类群之间具有显著相关性尤以参与抗生素合成、防御与胁迫响应以及细胞壁强化的基因最为显著p 0.05。图4 | 健康与白化病海带幼苗间的差异表达基因分析A健康与白化病海带幼苗转录本的主坐标分析。B健康与白化病海带幼苗间差异表达基因的火山图。图中每个点代表一个特定基因红色和蓝色点分别表示在白化病海带幼苗中显著上调和下调表达的基因灰色点表示无显著差异表达的基因。C与防御响应相关的上调差异表达基因热图。基因ID及功能注释标注于右侧功能类别标注于顶部。差异基因分析n 4。HS健康海带幼苗DS白化病海带幼苗。致病生物组核心类群介导的海带幼苗共生体代谢重编程基于非靶向代谢组学技术对健康及白化病海带幼苗共生体的代谢谱进行比较分析。正交偏最小二乘判别分析与置换检验结果显示健康与白化病海带幼苗共生体的代谢谱呈现显著分离表明白化病海带幼苗共生体发生了显著的代谢重编程图5A。具体而言在健康与白化病海带幼苗共生体间共鉴定到120种差异代谢物其中114种代谢物在白化病海带幼苗共生体中显著积累6种显著下调OPLS-DA VIP ≥ 1、p ≤ 0.05且|log₂FC| ≥ 2图5B。KEGG通路富集分析结果显示差异代谢物仅在半乳糖代谢途径中呈现显著富集图5C。进一步基于数据库注释的分类结果表明萜类化合物13种、甘油磷脂14种、二十碳烷类化合物9种及黄酮类化合物6种在白化病海带幼苗共生体中显著富集OPLS-DA VIP ≥ 1、p ≤ 0.05且log₂FC ≥ 2图5D。为检验上述海带幼苗共生体的代谢重编程是否与致病生物组核心类群的侵染相关选取相对丰度最高的前30种差异代谢物与致病生物组核心类群进行相关性分析。结果显示多数差异代谢物与致病生物组核心类群之间具有显著相关性这表明白化病海带幼苗共生体的代谢重编程可能与致病生物组核心类群的侵染密切相关p 0.05。图5 | 健康与白化病海带幼苗共生体间的差异代谢物分析A健康与白化病海带幼苗共生体代谢物的正交偏最小二乘判别分析。B健康与白化病海带幼苗共生体间差异代谢物的火山图。图中每个点代表一种代谢物红色和蓝色点分别代表在白化病海带幼苗共生体中显著上调和下调的代谢物灰色点表示相对丰度无显著差异的代谢物。C120种差异代谢物的KEGG通路富集分析。D健康与白化病海带幼苗共生体间的差异代谢物热图。代谢物ID标注于右侧对应类别标注于顶部。差异代谢物分析n 6。HS健康海带幼苗DS白化病海带幼苗。结论Conclusions本研究以致病生物组概念为框架系统分析了海带幼苗白化病致病生物组的核心类群及其与宿主之间的复杂相互作用图6成为首次在海藻病理学领域应用致病生物组概念的研究。多组学分析表明Bin_7Glaciecola sp.、Bin_12Arenicella sp.017854775和Bin_22Arenicella sp.是海带幼苗白化病致病生物组的核心类群。侵染过程中核心类群可能通过上调与趋化、运动及毒素合成相关的毒力基因增强对宿主的定殖与侵染同时通过调控与抗氧化酶及抗生素抗性相关基因的表达抵御宿主诱导的多层级防御反应包括细胞壁强化、ROS爆发以及抗生素合成等从而在宿主环境中实现持续存活与扩增最终推动海带幼苗白化病的爆发。总体而言本研究从群落组成与功能响应层面对海带幼苗白化病致病生物组与宿主的互作机制提供了系统性认识进一步加深了对海带幼苗白化病发病机制的理解并为后续靶向防控策略的构建提供了理论依据。未来研究应聚焦致病生物组核心类群的分离与鉴定结合遗传操作体系开展关键毒力因子及作用机制的验证以进一步夯实致病生物组与宿主的互作模型并为精准防控技术的研发提供可验证的靶点与理论支撑。图6 | 海带幼苗白化病中致病生物组与宿主互作的概念框架A环境胁迫驱动健康的细菌群落向致病生物组状态转变。在恶化的环境条件下健康海带幼苗相关细菌群落的组成发生转变并逐步演化为致病生物组状态这是海带幼苗白化病发生的关键起始环节。B海带幼苗白化病发生过程中致病生物组与宿主的相互作用。海带幼苗白化病的发展由致病生物组与宿主之间的持续互作所驱动致病生物组的核心类群通过上调与趋化、运动及毒素合成相关的毒力基因增强其对宿主的定殖与侵染作为响应海带幼苗将资源由生长转向防御并激活多重防御反应包括细胞壁强化、ROS爆发及抗生素合成等同时致病生物组核心类群上调与抗氧化酶和抗生素抗性相关基因的表达以抵御宿主防御并在宿主环境中实现持续存活与扩增当宿主防御无法抵御致病生物组的侵染时海带幼苗即爆发白化病。图中黑色字体表示由显著上调表达基因编码的代谢物与蛋白蓝色字体表示由显著下调表达基因编码的代谢物与蛋白海带幼苗中由显著上调表达基因编码的通路以绿色表示潜在的调控机制以黑虚线标示。参考文献Wang, M., Zhao, C., Gong, W. et al. Multi-omics analysis reveals the pathobiome-host interactions in the bleaching disease of the seaweed Saccharina japonica.Microbiome14, 47 (2026). https://doi.org/10.1186/s40168-025-02235-2作者简介王梦欣第一作者王梦欣中国海洋大学藻类病理学实验室博士研究生。主要研究方向为海带致病菌致病因子的挖掘及其致病机制研究。王高歌 通讯作者王高歌中国海洋大学藻类病理学实验室团队PI教授博士生导师。2001年获中国海洋大学博士学位2004年起在中国海洋大学海洋生命学院工作。2008-2009年赴美国杜克大学Duke University开展访问学者研究。研究方向藻类病理学。主要研究内容包括:1海藻致病菌、致病因子鉴定及其致病机制探究2海藻有益菌的筛选与鉴定及其防控海藻病害的分子机制研究3海藻病害防控技术研发。目前在Microbiome、mBio、Marine Life Science Technology和Aquaculture等期刊以第一作者或通讯作者发表论文60余篇。现任德国水生生物学期刊Fundamental and Applied Limnology副主编全国水产标准化技术委员会水产养殖病害防治分技术委员会委员。宏基因组推荐本公众号现全面开放投稿希望文章作者讲出自己的科研故事分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编微信号yongxinliu 或 meta-genomicsiMeta高引 fastp PhyloSuite ImageGP2 iNAP2 ggClusterNet2iMeta工具 SangerBox2 美吉2024 OmicStudio Wekemo OmicShareiMeta综述 高脂饮食菌群 发酵中药 口腔菌群 微塑料 癌症 宿主代谢10000扩增子EasyAmplicon 比较基因组JCVI 序列分析SeqKit2 维恩图EVenniMetaOmics高引 猪微生物组 16S扩增子综述 易扩增子(EasyAmplicon)系列教程微生物组入门 Biostar 微生物组 宏基因组专业技能学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人点击阅读原文