《Scientific Reports》：Asterinides sp. an endemic stygobitic seastar from an anchialine cave and its interactions among prokaryotic communities
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本研究针对锚区洞穴生态系统中盲海星Asterinides sp.的食源不清问题，通过创新性采集技术（CCC）获取其胃容物，结合16S rRNA测序与功能预测（Tax4Fun2），首次证实微生物垫是该物种的关键食物来源，并揭示其微生物群落以Proteobacteria为主导，富含硫氧化（soxB基因）等化能合成功能，为理解极端黑暗环境下底栖生物-微生物互作及碳氮硫生物地球化学循环提供了新视角。
在墨西哥科苏梅尔岛深处，隐藏着一个名为“El Aerolito”的神秘水下洞穴系统。这是一个典型的锚区洞穴（anchialine cave），由数百万年的雨水渗透溶解石灰岩形成，其内部充满极端环境条件：黑暗无光、盐度分层（存在卤水层）。在这片永恒黑暗的世界里，却孕育着独特的生命形式，尤其是高度特化的穴居生物。其中，一种尚未被正式描述的盲海星Asterinides sp.（属于Asterinidae科）引起了研究人员的极大兴趣。该种群规模小、分布局限，且常被发现将其胃部紧贴于洞穴壁上的微生物垫。然而，一个关键科学问题悬而未决：在这个缺乏光合作用初级产物的黑暗生态系统中，Asterinides sp.究竟以什么为食？这些覆盖在洞穴壁上的微生物垫是否构成了其重要的营养来源？理解这种关系对于揭示整个洞穴生态系统的能量流动和物质循环至关重要。
为了回答这个问题，研究人员在2021年旱季对El Aerolito洞穴的Site-D和Wonderland两个点位进行了采样。他们创新性地使用了一种名为Catcher Collection Chamber (CCC)的抗湍流收集室技术，非损伤性地获取了Asterinides sp.的胃容物（通过诱导 regurgitation）。同时，他们还采集了洞穴水样、洞穴壁上的微生物垫样本以及一块覆盖有微生物垫的岩石。本研究主要聚焦于对胃容物样本的分析。
研究人员从胃容物、微生物垫和水样中提取DNA，针对细菌的16S rRNA基因V6-V8区域进行Illumina MiSeq测序。使用DADA2流程对序列进行质控和去噪，生成扩增子序列变异体（Amplicon Sequence Variants, ASVs），并基于SILVA数据库进行物种注释。利用R语言中的Vegan、Phyloseq等包进行Alpha多样性（Shannon, Simpson指数）和Beta多样性（基于加权/未加权UniFrac距离的nMDS和PERMANOVA分析）分析。使用Tax4Fun2对碳、氮、硫循环相关的功能基因进行预测。此外，还通过扫描电子显微镜（SEM）观察了微生物垫的形态结构。
1. 序列数据特征
研究共获得143,983条高质量序列（57%的初始序列保留），归属于1,528个ASVs。Alpha多样性指数（Shannon = 4.538, Gini-Simpson = 0.902）显示群落由少数物种主导。Beta多样性分析未显示不同样本类型（水、胃容物、微生物垫）群落结构的显著差异。值得注意的是，有高达47.2%的序列在属水平上无法分类，提示洞穴中存在大量未被描述的细菌多样性。
2. 微生物群落组成
在门水平上，Proteobacteria是绝对优势菌门。在属水平上，HIMB11、Pseudoalteromonas、Reyranella、Sediminibacterium等菌属在所有样本中均有出现。分析发现了一些具有点位特异性的菌属：Hgcl clade和Arenimonas仅出现在Site-D的胃容物样本中，而Alishewanella和Rheinheimera则仅出现在Wonderland的胃容物样本（W6R）中。来自Site-D的微生物垫样本（S2TM2）其微生物群落组成与同点位的胃容物样本更为相似，而与Wonderland的胃容物样本（W6R）差异较大，这种差异可能与点位的物理化学条件不同有关。一些在胃容物中发现的菌属（如Psychrobacter、Rheinheimera）也在其他海星的肠道微生物群中有过报道，提示它们可能与海星消化系统存在潜在关联。
3. 代谢潜能
功能预测（Tax4Fun2）显示，硫循环中的硫酸盐氧化（sulfate oxidation）是水、胃容物和微生物垫样本中最优势的代谢功能。这与水体中富含硫酸盐以及soxB基因的相对丰度较高是一致的。群落中包含多个与硫氧化相关的属，如Pseudoalteromonas、Sediminibacterium、Alishewanella和HIMB11。扫描电子显微镜（SEM）观察进一步在微生物垫中发现了类似于Beggiatoa（贝日阿托氏菌属）和Thiothrix（发硫菌属）的丝状结构，这两类细菌都是典型的硫氧化菌，支持了硫氧化过程在洞穴中的重要性。
在碳循环方面，3-羟基丙酸酯（3HP）途径是仅次于硫氧化的碳固定途径。一些菌属如Reyranella和Rheinheimera可能参与碳循环，但其在洞穴系统中的具体生态功能尚不明确。
在氮循环方面，功能预测显示其相对丰度最低，其中反硝化作用（denitrification, nosZ基因）较为显著。尽管未检测到明确的厌氧氨氧化（ANAMMOX）相关菌群，但微生物垫内部可能存在的微缺氧环境为此类过程提供了条件。Nitrospira（硝化螺旋菌属）在胃容物和微生物垫中被检测到，可能与硝化作用（nitrification）有关。
尽管群落组成分析未显示样本类型间的显著差异，但功能代谢树状图显示微生物垫和胃容物样本具有重要的代谢相似性。
4. 微生物垫作为Asterinides sp.的膳食组分
Asterinides sp.所属的Asterinidae科海星具有机会性杂食的特性。在El Aerolito这样的极端环境中，结合Asterinides sp.有限的活动能力和分布范围，微生物垫最可能是其主要的能量来源。微生物垫和胃容物样本在微生物群落组成和预测代谢功能上的高度相似性强有力地支持了这一假设，即微生物垫是Asterinides sp.的食源。功能预测显示胃容物中以硫氧化（soxB）和碳氧化（mcl）等需氧氧化途径为主，这与一些浅水海星消化微生物组的代谢特征相似。微生物垫产生的胞外聚合物（EPS）可能为海星提供碳源、多糖、蛋白质等营养物质，甚至可能是其组织再生所需的钙源。然而，EPS也可能吸附环境污染物（如来自附近公路的烃类），导致污染物在Asterinides sp.体内富集。胃容物中发现的Psychrobacter属部分菌株与微塑料和废水有关，也提示了潜在的环境污染风险。
本研究得出结论，El Aerolito洞穴壁上的微生物垫是盲海星Asterinides sp.的重要食物来源。两者在微生物群落结构和预测代谢功能上展现的相似性，以及海星将胃部覆盖于微生物垫上的行为，共同支持了这一结论。该洞穴生态系统蕴含着丰富的、尚未被描述的微生物多样性，这些微生物在驱动硫、碳、氮等元素的生物地球化学循环中扮演着关键角色，特别是硫氧化过程尤为突出。研究首次详细描述了Asterinides sp.与洞穴微生物垫之间的营养关系，揭示了微生物垫作为化能合成基础生产的初级产物，支持着洞穴中高级消费者的生存。这项研究不仅增进了我们对黑暗、极端环境下生态系统能量来源和营养级联的理解，也为未来研究锚区洞穴生态、海星食性以及生物地球化学循环提供了重要的方法学参考（如CCC技术的应用）和基线数据。研究结果强调了对这些独特而脆弱的生态系统进行保护的必要性，因为它们是不可替代的“自然进化实验室”。论文发表于《Scientific Reports》期刊。
