珊瑚濒临灭绝，益生菌能否成为救星？

08-20

珊瑚濒临灭绝，益生菌能否成为救星？

编者按：

微生物组不仅对人体具有重要的意义，与其他生物体的健康与疾病也息息相关。珊瑚礁是一类重要的生态系统，据估计四分之一的海洋动物依靠珊瑚礁生存。然而近几十年来，珊瑚白化现象越来越严重，要如何解决这一问题呢？利用益生菌干预珊瑚微生物可以帮助珊瑚恢复健康吗？

今天，我们共同关注益生菌与珊瑚。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

珊瑚益生菌

如今，在超市货架上，我们可以看到各种富含益生菌（即“好细菌”）的产品，如酸奶等。这些产品中的益生菌可以帮助我们改善体内的微生物群。尽管对这些产品的研究得到结论的褒贬不一，但广泛的证据表明，微生物确实对我们的身体有巨大的影响。

除了人以外，其他生物也拥有丰富且对健康具有重要影响的微生物群。对于珊瑚这种能够创造大规模珊瑚礁的动物来说，微生物具有非常重要的作用。事实上，珊瑚的茁壮生长离不开藻类等微生物。当珊瑚失去了与其共生的彩色藻类时，就会发生白化。白化是珊瑚受到威胁时最明显的特征。

近几十年来，珊瑚白化现象越来越严重，并且随着时间的推移，受影响的珊瑚区域逐渐扩大。2014年至2017年期间，海洋热浪导致全球75%以上的珊瑚礁出现大规模白化，近三分之一的珊瑚礁因此死亡。虽然珊瑚礁区域只占海洋面积的1%，但据估计，四分之一的海洋动物依靠珊瑚礁生存。珊瑚礁对人类的粮食安全至关重要，维系着全球600万渔民的生计。

要解决珊瑚礁面临的威胁，最关键的办法是减少化石燃料的燃烧、控制温室气体的排放，从而降低地球的温度。与此同时，科学家们正在寻找权宜之计，为拯救珊瑚争取时间。有些人正在驯化珊瑚，使其能够承受全球变暖导致的温度增加或海水酸化；也有人在照看海洋保护区内的珊瑚礁，或者帮助受损区域的珊瑚重新生长。还有一些人致力于开发珊瑚益生菌，向珊瑚补充有益微生物。

目前，珊瑚益生菌给人们带来了一丝曙光。Raquel Peixoto是沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的海洋微生物学家，她率先提出了珊瑚益生菌的概念，并最先在实验室展开了实验，如今正在红海的珊瑚花园进行实验。Peixoto是2021年Rebuilding Coral Reefs: A Decadal Grand Challenge一文的合著者，她希望为珊瑚补充益生菌可以成为一种干预手段，增强珊瑚礁受损后的恢复能力。

图1. 海洋微生物学家Raquel Peixoto。

Q1: 是什么激发了你对珊瑚礁的研究兴趣？气候变化对珊瑚有何影响？

答：作为一个冲浪者、潜水员，我觉得自己一直与海洋有着密不可分的联系。令我感到担忧的是，海洋中的一些生态系统正在消亡。虽然听起来像是陈词滥调，但我真的希望我的孩子们还能有机会欣赏珊瑚。这不仅是因为珊瑚在生态系统中的重要性，还在于它们的复杂性。

Q2: 生物学家称珊瑚为“共生体（holobiont）”，目前为止，我们对珊瑚微生物有哪些了解?

答：我们对共生体中的一些关键微生物及其与宿主的相互作用有了大致了解，但仍需要探究更多宿主-微生物关系。这一研究领域尚处于起步阶段。

最经典的、我们最熟悉的宿主-微生物关系，就是珊瑚与藻类之间的关系。藻类光合作用所产生的物质是珊瑚的主要食物来源，反过来，珊瑚能够保护藻类并为它们提供营养。

但是，对于与珊瑚共生的病毒、细菌、古菌和真菌，我们仍然只知其表。目前我们所知的是，这些微生物能够保护珊瑚避免有害微生物的入侵；反过来，珊瑚为它们提供了一个繁荣的生态系统。真菌和细菌都能为珊瑚提供养分，帮助珊瑚中和有毒化合物，甚至还可以帮助珊瑚构建骨架、防止紫外线伤害。

我们想要了解的不仅是珊瑚和微生物之间的关系，还有微生物和微生物之间的相互作用。

图2. 珊瑚中生活着不计其数的微生物，包括最重要的Symbiodiniaceae (共生鞭毛藻科)。这种藻类使珊瑚看起来是有颜色的。珊瑚为这些微生物提供庇护所，反过来，这些微生物为珊瑚提供了光合作用的产物、抗菌剂、抗氧化剂和紫外线保护剂。不仅如此，许多微生物也会相互作用，比如转移微量营养素，如图中带箭头的虚线所示。

Q3: 当珊瑚受到威胁时，共生体会发生怎样的变化?

答：在珊瑚礁生态系统中，珊瑚在海洋热浪的压力下会驱逐藻类及其他微生物。这些有益微生物可能会被病原体取代。因此，珊瑚除了失去细菌提供的帮助以外，还必须应对新来的病原体。这对珊瑚来说是雪上加霜。

Q4: 珊瑚益生菌如何发挥作用?

答：益生菌是对宿主有益的微生物。益生菌已经被用于治疗蜜蜂、青蛙和蝙蝠等动物的疾病。

我的实验室试图利用微生物改善珊瑚和藻类的健康。与此同时，我们也在思索是否可以干预整个共生体。如果我们在珊瑚受到威胁时补充益生菌，那么也许可以挽回一个健康的共生体，避免珊瑚被病原体侵袭。

所以，就像在退化的土地上重新种树一样，我们试图让有益微生物在珊瑚中重新定殖。

Q5: 如何挖掘珊瑚益生菌?

答：为了找到对珊瑚有重要作用的细菌，我们从天然珊瑚礁中采集了活珊瑚样本。然后，我们分析这些珊瑚的微生物组，解析其中的物种，研究这些物种的基因组及基因，从而探索对珊瑚有益的生理机制。

为了研制具有潜在作用的益生菌混合物，我们挑选了海洋中常见的一些天然微生物。这些微生物具有我们先前推测的、能够保护珊瑚的遗传和生理机制。同时，我们仔细地排除了所有潜在的珊瑚病原体。

通过宏转录组学和宏基因组学，我们确定了这些保护性微生物的潜在机制，揭示了它们帮助珊瑚的方式。具体来说，我们鉴定了珊瑚及其微生物组中处于激活状态的基因，并将这些基因与珊瑚的健康状况联系起来。

总而言之，我们在实验室中分离并培养珊瑚细菌，然后将经过筛选的细菌重新施加给珊瑚。我们正在寻找更多与珊瑚共生的有益微生物，不管是在珊瑚虫体内还是体外。通过补充有益细菌，我们可以使珊瑚更好地应对病原体和气候变化。

表1. 微生物对珊瑚的潜在益处及机制

Q6: 如何在实验室中测试珊瑚益生菌的热防护效力?

答：我们准备了两种溶液，一种是益生菌溶液，包含从健康珊瑚中分离并培养的细菌混合物；另一种是不含益生菌的生理盐水，可视为安慰剂。我们在两组水缸中放入珊瑚碎片。随后，向一组水缸注入益生菌溶液（益生菌组），向另一组水缸注入生理盐水（安慰剂组）。我们将水缸温度升高，以模拟气候变化。同时，我们在不改变水箱温度的情况下进行了同样的实验。

在实验过程中，我们需要关注的是珊瑚的存活率。珊瑚的颜色可以反映出它们的健康状态，按照从好到坏的状态可将珊瑚标记为健康的（healthy）、苍白的（paling）、褪色的（bleached）、骨白色的（bone white）以及死亡的（dead）。

我们发现，益生菌组的珊瑚均没有死亡，而安慰剂组的珊瑚要么死亡，要么状况非常糟糕。

不仅如此，我们所开发的珊瑚益生菌混合物在抵御石油泄漏和珊瑚弧菌（Vibrio coralliilyticus）感染方面也具有一定的潜力。

Q7: 你的实验证明了益生菌可以提高水缸内珊瑚的存活率，我们是否知道这背后的机制?

答：我们有一些了解。我们知道，一些机会性病原体会导致珊瑚传染病，它们可能是细菌、病毒、真菌或原生动物。益生菌能在一定程度上帮助珊瑚免疫系统对抗机会性病原体。另外，当热应激藻类不可控地产生有害的、不稳定的含氧分子时，益生菌似乎能缓解氧化应激。

举例来说，2021年我参与过一项研究，计划研制某种珊瑚（Mussismilia hispida）的益生菌混合物。我们从六个候选菌株中挑了三个，包括两个列城芽孢杆菌（Bacillus lehensis）菌株和一个大岛芽孢杆菌（Bacillus oshimensis）菌株，因为它们能降解DMSP（二甲基磺酰丙酸）。DMSP是全球广泛分布的一种硫化物，天然存在于珊瑚共生体中，对生态系统很重要。

一些研究人员认为DMSP如同一把有用的瑞士军刀，其在维持珊瑚生态系统健康方面发挥了多种作用，例如，提供碳源、抗氧化、抵抗流体静压力。但是当珊瑚受到胁迫时，DMSP的浓度会增加，而高浓度的DMSP会引诱病原体。

在给珊瑚施加益生菌之后，我们观察到可降解DMSP的细菌会在珊瑚共生体内定殖。我们利用代谢组学的方法探索了珊瑚细胞代谢过程中的化学反应。结果发现，随着温度逐渐升高，珊瑚的代谢组发生了显著变化。值得注意的是，安慰剂组的DMSP浓度高于益生菌组。而益生菌组的DMSP浓度逐渐下降，表示珊瑚的健康状况得到了改善。

图3. KAUST研究员Raquel Peixoto正在给珊瑚补充益生菌。

Q8: 向珊瑚礁施加益生菌是否会产生意想不到的负面影响?

答：一点影响也没有。虽然相关工作还没有发表，但是我们已经在红海的一片珊瑚礁区域进行了试点实验。我们把这片区域称为珊瑚益生菌村，我们会人工给珊瑚施加益生菌。这是益生菌对抗野生珊瑚热白化的首次试验，试验采取了严谨的控制和隔离措施。到目前为止，我们还没有看到任何不良影响。

我们认为，珊瑚越健康，整个珊瑚生态系统就越健康。因为许多或大或小的生物都依赖珊瑚提供的庇护和食物。我们向珊瑚施加的微生物混合物本就取自于海水，所以益生菌不太可能造成不良后果。

受损程度越严重的珊瑚礁似乎病原体越多。所以我认为，如果我们什么也不做的话，才会造成意想不到的后果。因为那样的话，病原体会过度生长，引发珊瑚疾病。这些病原体可能会进一步传播并影响珊瑚礁上的其他生物，甚至最终波及到我们人类的生产生活。既然我们已经在实验室中证明了益生菌的作用，那么是时候开展这个试点试验了。

Q9: 珊瑚益生菌作为干预手段的可扩展性如何?

答：可扩展性是我们一直在探索的，目前正在开展多个不同的项目。其中一个项目是在珊瑚礁上部署灌溉系统，和菜园的灌溉或洒水系统类似。这个灌溉系统是我们与KAUST的工程师合作开发的，含有通向珊瑚礁的软管。我们可以通过手机应用程序远程操控益生菌的释放。我们认为这个灌溉系统是可以大范围扩展的。

我们也在开发具有长期效力的细菌药丸，然后使用机器人来分配这些药丸。

我认为我们需要更好地了解益生菌——它们是否有作用，如何起作用，以及对生态有何影响。但与此同时，我们也在开发一些工具，争取扩大益生菌的干预范围。这样一来，当我们对所开发的益生菌有足够信心的时候，就可以及时进行大范围应用了。

我们不需要在同一时间给所有地方的珊瑚都施加益生菌，因为珊瑚不会同时出现褪色的情况。我们只需要在珊瑚发生白化的时候施加一两个月的益生菌，助力珊瑚恢复健康。