《Coral Reefs》：Biodiversity affects the exometabolomes of four benthic functional groups in coral reefs
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本研究通过受控水族实验，探究了珊瑚礁底栖生物“代谢光环”中的化学物质如何响应周围物种组成变化。研究人员操纵了物种多样性，利用LC-MS/MS技术分析了四种功能群（石珊瑚、软珊瑚、大型藻类、海绵）在单养、复养等不同处理下的水相代谢物。研究发现，邻近物种的生物多样性显著影响了目标生物的外代谢物组，且复养处理下的代谢谱最为独特。这揭示了珊瑚礁物种间水介导的化学信号交流对代谢物释放的触发作用，为理解珊瑚礁生态系统在生物多样性变化下的功能调节提供了新视角。
珊瑚礁是地球上生物多样性最丰富的生态系统之一，这里生活着形态各异的底栖生物，包括坚硬的石珊瑚、形态柔软的软珊瑚、色彩斑斓的海绵以及茂盛的大型藻类。这些生物并非孤立存在，它们各自与种类繁多的微生物（如细菌、古菌、病毒等）紧密共生，形成一个被称为“全生物”的功能整体。更为神奇的是，这个生命共同体的影响并不仅限于生物体的物理边界之内，其释放的微生物和生物化学物质会扩散到周围的水环境中，形成了一个动态的边界区域——被称为“光环-生物组”或“代谢光环”。这个独特的水体层被认为是生物体与周围环境之间进行交流和相互作用的重要界面，可能介导着物种间的竞争、共生、防御等多种生态关系。然而，究竟是哪些因素塑造了“代谢光环”中这些复杂的生物分子？特别是，周围的物种组成和多样性在其中扮演了怎样的角色？这个问题在很大程度上仍然是个谜。
为了回答这个问题，来自德国吉森大学等机构的研究人员在《Coral Reefs》杂志上发表了一项研究。他们在受控的水族馆设施中进行了一项为期四周的实验，巧妙地操纵了珊瑚礁物种的组成和生物多样性。研究人员选取了四个功能群的七个物种，包括两种石珊瑚（Pocillopora verrucosa和 Montipora digitata）、两种软珊瑚（Sclerophytum wanannense和 Xenia umbellata）、两种大型藻类（Caulerpa brachypus和 Peyssonneliasp.）以及一种海绵（Haliclona cnidata）。这些生物被置于三种不同的生物多样性处理中：单养（物种单独培养）、可控复养（所有研究物种在清洁水箱中一起培养）以及半自然复养（所有研究物种在一个包含其他底栖生物、鱼类、虾、海草和沉积物的中生态水箱中培养）。经过处理期后，研究人员对每个个体周围海水中的代谢物进行了提取和分析，旨在探究“代谢光环”的化学组成如何响应周围物种多样性的变化。
为了开展这项研究，作者主要运用了几个关键技术。首先是受控实验设计，在“Ocean2100”珊瑚水族设施中设置单养、可控复养和半自然复养三种处理，以模拟不同的生物多样性场景。其次是代谢组学分析，核心是使用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS） 对生物周围水样进行非靶向代谢组学分析，以全面捕获水相中的小分子代谢物。数据处理方面，使用了Global Natural Products Social Molecular Networking（GNPS）数据库进行分子网络构建和化合物注释，并运用了统计分析和可视化工具（如R语言、Cytoscape）来处理和展示代谢物数据的差异与模式。
研究结果
1. 外代谢物组因生物多样性处理、生物类群和物种而异
研究人员发现，不同生物多样性处理下的外代谢物组存在显著差异。与空白对照相比，生物在单养条件下的外代谢物组无法区分，而在两种复养（可控复养和半自然复养）处理下，外代谢物组则变得非常独特且与单养及对照显著不同。这表明，周围存在其他物种是触发生物释放特定生物分子的关键因素。不同功能类群之间也存在差异，软珊瑚和大型藻类的外代谢物组与其他类群（除了海绵与大型藻类之间）均有显著不同。而在物种水平上，除了少数组合（如P. verrucosa、S. wanannense和 X. umbellata之间，以及Peyssonneliasp.、H. cnidata和对照之间），大多数物种的外代谢物组彼此都显著不同。
2. 物种间外代谢物组的差异在处理内持续存在
无论处于哪种生物多样性处理（单养、可控复养或半自然复养）中，不同物种的外代谢物组之间依然保持着显著差异。例如，在单养条件下，C. brachypus和 P. verrucosa的外代谢物组就与其他多个物种及对照不同。这种差异在处理内持续存在，表明每个物种都具有其独特的、固有的“代谢指纹”，这种特性不依赖于它们所处的群落环境。
3. 物种的外代谢物组因生物多样性环境不同而异
研究还考察了同一物种在不同生物多样性处理下其外代谢物组的变化。结果显示，周围物种的多样性确实能够改变单个物种释放的代谢物谱。例如，C. brachypus和 M. digitata在两种复养处理下的外代谢物组与单养及对照均不同。X. umbellata在可控复养下的代谢谱与单养和半自然复养不同，而 P. verrucosa的外代谢物组则在不同的处理比较中呈现出复杂的变化模式。海绵 H. cnidata在不同处理下的外代谢物组几乎全部存在差异。
4. 标志性代谢物特征
通过分析，研究人员找到了与特定处理或物种显著相关的“标志性”代谢物特征。有七个代谢物特征与可控复养处理显著相关，八个与单养和半自然复养处理相关。在物种层面，C. brachypus拥有八个独有的标志性特征，X. umbellata拥有三个，而最大的一组（19个特征）与除C. brachypus之外的所有物种相关。这些标志性特征就像是不同生物多样性“场景”或特定物种的“化学签名”。
5. 代谢物注释
在分析的总共4581个代谢物节点中，研究人员成功注释并验证了20种化合物，对应于23个节点。其中15种化合物被归类为十类天然产物。这些化合物包括具有抗生素特性的单活菌素、具有弱防污活性的9-十八碳烯酰胺、常见于软珊瑚和大型藻类的大豆皂苷、具有防污特性的细胞松弛素、可能由虫黄藻（Symbiodiniaceae）产生或相关的羟基硬脂酸和13-二十二碳烯酰胺，以及作为溶解有机氮重要来源的氨基酸（如缬氨酸-亮氨酸-脯氨酸-缬氨酸-脯氨酸）。这些化合物的丰度模式在不同处理间有差异，提示它们的释放受到邻近物种的触发。
研究结论与讨论
本研究首次在个体生物水平上证实，周围物种的生物多样性通过水介导的相互作用，能够影响珊瑚礁底栖生物的外代谢物组。研究验证了最初的四个假设：（i）外代谢物组具有物种特异性；（ii）不同底栖生物类群（石珊瑚、软珊瑚、大型藻类、海绵）的外代谢物组彼此不同；（iii）生物周围“代谢光环”中的外代谢物组受周围物种多样性的影响；（iv）并且，物种特异性差异随着环境中物种多样性的增加而显现（体现为复养处理下更独特的代谢谱）。
研究最关键的发现之一是，在单养条件下，生物的外代谢物组与无菌对照没有区别，而只有在存在其他物种（复养）时，它们才会释放出独特的代谢物。这说明代谢物的释放并非持续进行，而很可能是对周围“邻居”存在的一种主动响应。由于生产次级代谢物需要消耗能量，在没有触发因素（即其他物种）时，生物可能会选择节约这部分成本。这凸显了外代谢物在介导珊瑚礁物种间相互作用中的关键角色。
此外，不同的生物多样性处理产生了可跨物种检测的独特代谢物模式，表明物种对群落环境变化存在某种共通的响应机制。鉴于全球珊瑚礁底栖群落正在快速变化，这种变化必将伴随次级代谢物库的改变，进而影响整个群落的代谢功能和结构。本研究的数据表明，变化的底栖群落组成本身就会导致礁区水化学性质的改变。
在物种层面，像C. brachypus（一种已知能产生有毒次级代谢物如蕨藻素的大型藻类）和X. umbellata（一种快速生长的软珊瑚）这样的物种拥有最多独有的标志性代谢物，这可能与它们积极的生存竞争策略（如通过化学物质争夺空间）有关。而像Peyssonneliasp. 和 H. cnidata的外代谢物组与对照难以区分，则暗示它们可能是较弱的次级代谢物生产者。
研究注释出的化合物功能多样，涵盖防御（抗生素、防污）、竞争和营养循环（氨基酸）等方面。许多化合物与链霉菌属细菌相关，提示共附生微生物可能是礁区天然产物库的重要贡献者。然而，绝大多数检测到的代谢物节点仍未被注释，这反映了我们对海洋天然产物化学多样性的认知仍非常有限。
综上所述，这项研究证明了珊瑚礁物种拥有独特的、动态适应周围物种多样性的“代谢光环”。这些代谢物是水介导的种间相互作用的关键媒介。随着全球珊瑚礁生物多样性持续丧失和群落结构转变，理解塑造“代谢光环”的因素以及“代谢光环”如何反过来介导生物相互作用和营养循环，对于预测和管理珊瑚礁生态系统的未来至关重要。这项研究为揭示珊瑚礁中尚未被充分认识的、通过水体进行的化学“对话”打开了新的窗口，也为珊瑚礁保护工作提供了重要的科学依据。
