海草床微生物研究進(jìn)展

蔡澤富，陳石泉，吳鐘解，沈捷*，謝珍玉，駱麗珍，龐巧珠，章翔，王道儒

( 1. 海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海南 ?？?571126；2. 海南熱帶海洋學(xué)院 熱帶海洋生物資源利用與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 三亞 572022；3. 海南大學(xué) 南海海洋資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570228)

1 引言

海草是一類(lèi)生長(zhǎng)于溫帶與熱帶海洋區(qū)域沿岸的單子葉植物[1?2]。海草群落發(fā)展成海草斑塊并大面積連接成片后演變成為海草床。作為海岸帶天然的生態(tài)屏障，海草床在紅樹(shù)林與珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)之間起著承上啟下的紐帶作用，能夠促進(jìn)海洋主要元素的循環(huán)，凈化水質(zhì)并穩(wěn)固海床，從而為海洋生物提供適宜生境。海草床每年可創(chuàng)造1.9 萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3–8]。近幾十年來(lái)，受人類(lèi)活動(dòng)和自然因素的影響，海草床嚴(yán)重退化[9–12]，全球約29%的海草床已經(jīng)消失[9]，這導(dǎo)致全球氣候變暖加快，并可能對(duì)全球生物圈的穩(wěn)定和人類(lèi)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。當(dāng)前的海草床研究主要涉及海草的分類(lèi)、分布、生理、生態(tài)、退化及修復(fù)等方面[3,12–15]。微生物與海草的健康息息相關(guān)，但國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到系統(tǒng)報(bào)道海草床微生物研究進(jìn)展的文獻(xiàn)。因此，本文通過(guò)分析與總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的主要文獻(xiàn)，介紹海草床微生物研究的現(xiàn)狀，并探討今后的主要研究方向，為國(guó)內(nèi)海草床微生物深入研究提供思路。

2 海草床的分布、功能及面臨的問(wèn)題

2.1 海草床分布

全球海草床分布可分為印度?太平洋區(qū)、熱帶大西洋區(qū)、溫帶北大西洋區(qū)、溫帶北太平洋區(qū)、溫帶南大洋區(qū)與地中海區(qū)等6個(gè)區(qū)系[16]。全球范圍已記錄的海草面積約為325 178 km2，其中印度洋?太平洋區(qū)域約占全球的52%[17]。中國(guó)海草床主要分布在溫帶北太平洋區(qū)與印度?太平洋區(qū)，可大致分為南海海草床分布區(qū)和黃、渤海海草床分布區(qū)，總面積約為8 765.1 hm2[11]。目前記錄的全球海草種類(lèi)共有74種，隸屬于6科13屬[18]；中國(guó)共有海草22種，隸屬于4科10屬[11,15,19]。海南省海草床分布面積在國(guó)內(nèi)省份中最大且種類(lèi)最多，其中海南與中國(guó)臺(tái)灣的海草優(yōu)勢(shì)種是泰來(lái)草（Thalassia hemprichii），廣西與廣東的海草優(yōu)勢(shì)種是卵葉喜鹽草（Halophila ovalis），遼寧與山東的海草優(yōu)勢(shì)種是鰻草（Zosteramarina）[11]。

2.2 海草床重要功能

2.2.1 固碳功能與營(yíng)養(yǎng)循環(huán)

海草床具有固碳功能并且在海洋物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中扮演非常重要的角色。海草通過(guò)光合作用吸收二氧化碳進(jìn)行碳儲(chǔ)存。海草床初級(jí)生產(chǎn)力極高，與紅樹(shù)林和珊瑚礁相近[20]，每年碳固定量約占海洋固碳總量的10%[21]。海草吸收氮和磷等，死亡后腐爛分解成有機(jī)質(zhì)促進(jìn)海草床營(yíng)養(yǎng)循環(huán)[22]。

2.2.2 凈化水質(zhì)功能

海草床具有凈化海水污染物的功能。海草獨(dú)特的葉子如同過(guò)濾器，可以沉降海水懸浮物來(lái)改善水質(zhì)。海草不僅吸收沉積物和海水中的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽，而且光合作用產(chǎn)生的氧氣可以促進(jìn)有機(jī)物分解，達(dá)到凈化水質(zhì)的效果[23]。海草床具有消除魚(yú)類(lèi)、無(wú)脊椎動(dòng)物和人類(lèi)細(xì)菌病原體的功能[24]。在南海新村灣海草床沉積物中發(fā)現(xiàn)能抵抗多種病原體的芽孢桿菌屬的Bacillus flexu[25]。此外，海草對(duì)調(diào)節(jié)海水和沉積物中的溶解氧、葉綠素、有機(jī)物和重金屬也起到一定的作用。

2.2.3 棲息地功能

海草床具有復(fù)雜的地上（葉子與垂直莖）和地下（根狀莖與根）三維構(gòu)架空間，營(yíng)造了低水流和穩(wěn)定底質(zhì)的舒適環(huán)境，為儒艮、海牛、綠海龜、籃子魚(yú)、海膽和海鳥(niǎo)等海洋生物提供了食物來(lái)源，為微藻、草食性魚(yú)類(lèi)、軟體動(dòng)物和甲殼動(dòng)物等海洋動(dòng)物幼體提供了庇護(hù)場(chǎng)所和附著體[7,26?27]，是重要的海洋生物棲息地。

2.2.4 生態(tài)屏障功能

海草床作為生態(tài)屏障減緩了波浪、風(fēng)暴與海流對(duì)海岸的侵蝕，在連接海洋與陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著紐帶作用[28]。海草通過(guò)根和莖促進(jìn)沉積物沉降與底質(zhì)穩(wěn)定，改善近岸海域環(huán)境。海草床不僅是“海洋生態(tài)系統(tǒng)工程師”和“沿海金絲雀”，而且是海洋沿岸生態(tài)系統(tǒng)健康指示器[8]。

2.3 海草床面臨的問(wèn)題

近年來(lái)，全球海草床發(fā)生大規(guī)模退化[4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1879年以來(lái)全球有記錄的海草床已經(jīng)消失了約1/3[9]，并以110 km2/a的速度減少，年平均退化速度逐年加快[9,12]。中國(guó)范圍內(nèi)的海草床因水產(chǎn)養(yǎng)殖污染、陸源污染以及圍填海工程破壞生境等人類(lèi)活動(dòng)也退化 嚴(yán) 重[3,11,14, 29]。

2.3.1 海水富營(yíng)養(yǎng)化

海水養(yǎng)殖、工業(yè)及生活排污等人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致海水富營(yíng)養(yǎng)化，引起海草床退化[30]。海水氮元素含量增加導(dǎo)致美國(guó)新澤西沿海鰻草生物量和光合效率均顯著降低，可能是由于銨鹽毒害了海草而造成的[31]。海水富營(yíng)養(yǎng)化引起浮游植物和附生藻類(lèi)大量繁殖，覆蓋海草葉子表面，降低水體光照強(qiáng)度和溶解氧含量，從而導(dǎo)致大規(guī)模的海草死亡[32–34]。

2.3.2 硫化物毒害

硫化物被認(rèn)為是全球海草滅絕和退化的主要原因之一[13]。大部分海洋沉積物都富含硫化物[35]。硫化物對(duì)海草光合作用是有害的[36]。一般情況下，海草能夠抵御低濃度硫化物，可能是因?yàn)槲⑸锕采w可以通過(guò)氧化硫酸鹽來(lái)解毒。由于海草根部氧氣缺乏，因而進(jìn)行厭氧呼吸，引起底質(zhì)硫化物濃度提高，導(dǎo)致泰來(lái)草海草床發(fā)生退化[37]。硫化物可以影響氧氣在海草組織中的運(yùn)輸以及根附近沉積物氧化區(qū)的微生物群落。

2.3.3 海草病害

海草病害是海草床退化的一個(gè)重要原因?？菸?dǎo)致美國(guó)新罕布什爾州的鰻草和佛羅里達(dá)州的龜裂泰來(lái)草（Thalassia testudinum）海草床快速退化[38–42]。日本、加拿大和新西蘭等國(guó)家的海草床也出現(xiàn)海草病害[43–44]。真菌和原生動(dòng)物是威脅海草健康的重要因素[43]。目前已知的海草病原體主要為網(wǎng)黏菌綱（Labyrinthulomycetes）、Phytomyxea、根腫菌屬（Plasmodiophora）、擬網(wǎng)黏菌類(lèi)（Labyrinthulids）、卵菌綱（Oomycetes）和不等鞭毛門(mén)（Heterokonta）等（表1）。根腫菌屬是鰻草屬（Zostera）和二藥草屬（Halodule）[45]中產(chǎn)生枝癭的病原體，但其致病機(jī)理尚不清楚。大豆疫霉屬病菌Phytophthora gemini和海疫霉屬病菌Halophytophthorasp.[46–48]被證明可抑制鰻草種子和幼苗生長(zhǎng)。海疫霉屬Halophytophthoraspp.導(dǎo)致受感染的海草種子發(fā)育受損甚至死亡[47–48]。在海草葉表經(jīng)常發(fā)現(xiàn)海洋生物致病菌—弧菌[49]，但有些弧菌是海草床重要的固氮生物[50]。

表1 已知的海草病原體和宿主Table 1 Known seagrasspathogens and hosts

2.3.4 其他威脅

海草床退化是多因素綜合造成的結(jié)果。其中，自然因素包括海底火山噴發(fā)、地震、臺(tái)風(fēng)等[8,22]。其他因素中，重金屬、抗生素、農(nóng)藥等會(huì)影響海草生長(zhǎng)[23,52]。開(kāi)發(fā)海岸、修筑堤壩、疏浚港口航道、排放垃圾入海等人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致海岸侵蝕和生境改變，也會(huì)威脅海草床的健康與生存[26,52?53]。而且，隨著大氣中二氧化碳濃度的增加，全球平均溫度上升，導(dǎo)致海洋碳系統(tǒng)平衡發(fā)生變化以及海洋酸化等，這些均會(huì)影響海草的生理，引起海草床緩慢退化[54]。不但如此，海洋熱浪也會(huì)嚴(yán)重影響海草的分布及健康狀況[55]。

3 海草床微生物的多樣性

海草床微生物多樣性非常高。細(xì)菌、真菌、微藻、古生菌和病毒斷續(xù)地棲息在海草的葉子、根、根狀莖以及周?chē)某练e物和海水中。

3.1 細(xì)菌

早期檢測(cè)海草生境中細(xì)菌的多樣性主要依賴(lài)于培養(yǎng)方法[56]。目前主要使用DNA指紋圖譜、克隆文庫(kù)和擴(kuò)增子測(cè)序方法來(lái)研究海草床細(xì)菌群落。海草表面常見(jiàn)細(xì)菌類(lèi)群是弧菌屬（Vibrio）、假交替單胞菌屬（Pseudoalteromonas）和海洋螺菌科（Oceanospirillaceae）等需氧異養(yǎng)菌。海草相關(guān)的細(xì)菌群落多樣性較高，其中好氧異養(yǎng)菌、硫酸鹽還原菌和固氮細(xì)菌等細(xì)菌群落對(duì)海草生態(tài)和生理尤為重要[57]。海草葉際、根際和表層沉積物的細(xì)菌群落主要由α-變形桿菌綱（A lphaproteobacteria）、γ-變形桿菌 綱（Gammaproteobacteria）、黃桿菌綱（Flavobacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）和藍(lán)細(xì)菌門(mén)（Cyanobacteria）等組成[57]。好氧異養(yǎng)細(xì)菌可從海草根部延伸接近易分解的根際有機(jī)質(zhì)[58]。在泰來(lái)草中分離得到固氮成團(tuán)泛菌（Pantoea agglomerans）[59]。從鰻草根際中分離得到具有較高固氮酶活性的菌株[60]。采用平板培養(yǎng)法從南海新村灣海草床分離到細(xì)菌496株，隸屬50屬，其中芽孢桿菌屬（Bacillus）和弧菌屬比例最高[61]。

3.2 真菌

真菌主要存在于海草組織內(nèi)部，對(duì)其研究相對(duì)較少。通常認(rèn)為，海草通過(guò)葉而不是根吸收大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[62]，這可能是由于海草缺乏菌根共生體[63]。海菖蒲（Enhalusacoroides）沉積物中主要真菌是子囊菌門(mén)（Ascomycota）[61]。在鰻草和泰來(lái)草中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌（Arbuscular M ycorrhizal Fungi），可能與海草沉積物低氧和高鹽環(huán)境有關(guān)[56]。在大洋波喜蕩草（Posidonia oceanica）的根狀莖中發(fā)現(xiàn)真菌[63]，但其豐度和多樣性都遠(yuǎn)低于陸生植物。其他一些鑒定出的少量海草內(nèi)生真菌主要是子囊菌科的曲霉菌屬（Aspergillus）、擬青霉屬（Paecilomyces）和青霉屬（Penicillium）[64]。

3.3 原生動(dòng)物

原生動(dòng)物可能在海草生態(tài)學(xué)中發(fā)揮重要作用。自養(yǎng)和異養(yǎng)原生動(dòng)物以附生和內(nèi)生的形式與海草共存。附生異養(yǎng)鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)棲息在海草葉子上，以細(xì)菌和微藻等附生植物為食。異養(yǎng)原生生物的攝食影響細(xì)菌和微藻的豐度與組成，這可能從根本上塑造了海草表面微生物群落[56]。其中，原生生物網(wǎng)黏菌（Labyrinthula zosterae）引起的海草枯萎病，導(dǎo)致北半球大量海草死亡[56]。

3.4 古生菌

古生菌（Archaea）廣泛分布于海洋、熱泉以及沉積物等環(huán)境中，數(shù)量占海洋生態(tài)系統(tǒng)中原核生物的1/3，但到目前為止，沒(méi)有證據(jù)表明海草與古生菌之間存在相互作用。古生菌和陸生植物有潛在重要的共生作用[65]。氨氧化古菌（AOA）存在于紅藻和褐藻等大型海洋植物表面。諾氏鰻草（Zostera noltii）沉積物存在廣古菌門(mén)（Euryarchaeota）和泉古菌門(mén)（Crenarchaeota）[66]。泰來(lái)草沉積物中的氨氧化細(xì)菌（AOB）主要為亞硝酸單胞菌群，其amoA豐度與沉積物銨態(tài)氮濃度和植物組織氮含量均顯著相關(guān)[67]。目前對(duì)海草床古生菌群落潛在的生態(tài)和生物地球化學(xué)意義知之甚少，需要更多研究闡明古生菌在海草生態(tài)學(xué)中的意義。

3.5 病毒

海草床病毒研究幾乎是空白的。大多數(shù)海洋病毒是噬菌體，在海洋動(dòng)植物宿主中已鑒定出多種病毒[68]。病毒可能通過(guò)溶解細(xì)菌細(xì)胞而增加溶解有機(jī)碳來(lái)影響海草沉積物中的碳匯。雖然沉積物病毒不太可能感染海草，但是沉積物病毒導(dǎo)致沉積物細(xì)菌死亡，間接影響了沉積物環(huán)境和海草健康。大洋波喜蕩草沉積物病毒豐度遠(yuǎn)高于沒(méi)有海草的沉積物[69]。之前研究還沒(méi)有確鑿的證據(jù)發(fā)現(xiàn)在海草組織中存在病毒，這可能是因?yàn)閷?duì)這一領(lǐng)域缺乏研究[56]。但最新研究發(fā)現(xiàn)，在佛羅里達(dá)州坦帕灣的龜裂泰來(lái)草葉子中發(fā)現(xiàn)了一種新的單鏈核糖核酸病毒TVX（Turtlegrass Virus X），這是第一次報(bào)道與海草相關(guān)的病毒[70]。

4 不同海草床生境中的微生物群落

鰻草和日本鰻草（Zostera japonica）[71]的微生物群落較為相似，鰻草、諾氏鰻草和小絲粉草（Cymodocea nodosa）[72]之間的微生物群落較為相似，這表明海草微生物群落組成不受宿主種類(lèi)控制，但其與鄰近海水和沉積物的微生物群落存在顯著差異[71–76]。此外，海草地上和地下的細(xì)菌群落差異也較大，海水深度對(duì)海草不同部位群落的塑造有明顯影響?？梢?jiàn)，海草床微生物在海草植株不同生態(tài)位和周邊沉積物與海水中都是變化的，不同微環(huán)境為各種微生物的生存提供了不同的理化條件。從生境的角度將海草床微生物分為海草床環(huán)境微生物組與海草微生物組。海草床環(huán)境微生物組分為海草床水體微生物和海草床沉積物微生物。海草微生物組從關(guān)聯(lián)程度分為海草核心微生物組和海草非核心微生物組，從生態(tài)位角度分為海草葉際微生物、海草根際微生物、海草葉表微生物、海草根表微生物、海草葉內(nèi)微生物和海草根內(nèi)微生物（圖1）。

圖1 海草床微生物的分類(lèi)Fig.1 Classification of microorganisms in seagrass meadows

4.1 海草葉際微生物

海草葉際微生物是指寄生或者附生于海草葉子表面的細(xì)菌、真菌、微藻和原生生物等[77–79]，主要由α-變形桿菌、β-變形桿菌、浮霉菌目（Planctomycetia）、酸微菌綱（Acidimicrobiia）、鞘脂桿菌綱（Sphingobacteria）、黃桿菌綱和疣微菌綱（Verrucomicrobiae）等組成[80–84]，其中海桿菌屬（Marinobacter）是海草葉際常見(jiàn)的附生菌[49]。海草葉際微生物群落組成主要受宿主代謝、微生物競(jìng)爭(zhēng)和環(huán)境因素影響。海草葉子附生細(xì)菌的密度和分布取決于其與硅藻或者大型藻類(lèi)的拮抗作用和競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)也與葉子年齡有關(guān)[85]。細(xì)菌可以通過(guò)提供有益代謝物與營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)海草生長(zhǎng)[86?87]。海草代謝活動(dòng)也會(huì)影響葉際微生物群落的組成和功能。海草葉子表面生長(zhǎng)的微生物群落分泌代謝物形成“生物膜”，抵制大型海洋動(dòng)物攝食以及抵御病原微生物的入侵。葉際微生物不但可以提供營(yíng)養(yǎng)來(lái)促進(jìn)海草生長(zhǎng)，也可以作為病原體破壞海草生長(zhǎng)[88]。

4.2 海草根際微生物

根際是植物根狀莖和根組織表面富含有機(jī)分子等分泌物和氧氣的動(dòng)態(tài)微環(huán)境[89]。根際微生物與海草根部產(chǎn)生的化合物相互作用，改變根際化學(xué)環(huán)境。海草為了能夠在缺氧的沉積物中呼吸，將光合作用產(chǎn)生的氧氣從直立莖擴(kuò)散到根部釋放進(jìn)沉積物，在根際形成氧氣濃度梯度，為代謝多樣化的微生物群落創(chuàng)造了生存條件[90?91]。海草根際微生物主要是硫酸鹽還原細(xì)菌δ-變形桿菌、硫化物氧化菌γ-變形桿菌、ε-變形桿菌[66,92]、α-變形桿菌、β-變形桿菌、擬桿菌綱（Bacteroidetes）與梭菌綱（Clostridia）等[66,72,76, 83]。海草根際細(xì)菌的豐度和生物量約是周?chē)练e物的兩倍，但會(huì)隨著季節(jié)變化[80,93]。人類(lèi)活動(dòng)擾動(dòng)也會(huì)降低海草根際微生物多樣性[94]。

4.3 海草內(nèi)生微生物

海草內(nèi)生微生物指海草組織中沒(méi)有危害或者至少短暫存在的微生物，包括在某些生命階段或環(huán)境條件下表現(xiàn)出潛在致病性的微生物和對(duì)海草有益的共生微生物[95]。在海草組織中發(fā)現(xiàn)大量細(xì)菌、古生菌和真菌。如在泰來(lái)草、鰻草、絲粉草屬（Cymodocea）、二藥草屬、喜鹽草屬（Halophila）、針葉草屬（Syringodium）和海菖蒲等海草的根、莖和葉子組織中發(fā)現(xiàn)大量真菌[61,64,96]。根和根狀莖是海草內(nèi)生菌與宿主相互作用的主要區(qū)域[51]。在鰻草根表分離到能還原硫酸鹽和固氮的脫硫孤菌屬（Desulfovibrio）[56]。硫酸鹽還原菌占據(jù)海草根中心附近組織，產(chǎn)乙酸菌（Acetogenic bacteria）和古生菌主要是在海草根表和外皮層[54]。萊氏二藥草（Halodulewrightii）最外皮層細(xì)胞層中存在產(chǎn)乙酸菌[97]。內(nèi)生真菌普遍通過(guò)物理或化學(xué)滲透進(jìn)入海草組織中[95]。

4.4 海草床沉積物微生物

海草床沉積物微生物群落不僅可以促進(jìn)海草床的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，而且可以維持海草床生物多樣性[98]。海草根和根狀莖中氧的持續(xù)擴(kuò)散對(duì)海草床沉積物和根際微生物產(chǎn)生較大影響[99]。海草床沉積物細(xì)菌主要是δ-變形桿菌硫酸鹽還原菌[66]，如海南新村灣海草床沉積物中的細(xì)菌群落主要為嗜冷桿菌屬（Psychrobacter）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、弧菌屬、發(fā)光桿菌屬（Photobacterium）、科貝克氏菌屬（Cobetia）和假交替單胞菌屬等[25]。熱帶海草床沉積物固氮微生物群落組成與沉積物總氮濃度呈顯著相關(guān)[25]。

4.5 海草床水體微生物

示蹤分析法表明海草葉際微生物來(lái)源于周?chē)w中[81]。通過(guò)分析全球尺度鰻草葉際與鄰近海水微生物群落結(jié)構(gòu)，可知兩者群落結(jié)構(gòu)相似[81]，但是有研究結(jié)果相反，認(rèn)為兩者存在較大差異[71]，這可能與采樣方法有關(guān)，但可以肯定的是海草葉際微生物和海草床水體中微生物存在一個(gè)動(dòng)態(tài)交換過(guò)程。

5 微生物與海草的相互作用及其生態(tài)功能

海草與微生物相互作用關(guān)系主要包括共生、腐生、寄生和致病等[100]，是從共生到疾病的連續(xù)統(tǒng)一體。

5.1 光合作用與碳循環(huán)

微生物不但對(duì)海草光合作用及其健康具有重要作用，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)海草床碳循環(huán)。海草葉面無(wú)角質(zhì)，有利于微生物附生，進(jìn)行物質(zhì)能量交換。海草為附生微生物提供適合的光環(huán)境和獲得營(yíng)養(yǎng)的定殖表面。海草釋放光合作用產(chǎn)生的氧氣和有機(jī)物到根外沉積物中，促進(jìn)了有氧代謝并加強(qiáng)微生物活動(dòng)[101]。葉表的硅藻和光合細(xì)菌等微生物抑制海草光合作用[102]。海草光合作用降低或受損將引起氧氣缺乏，不足以氧化高濃度硫化物[37]，可能導(dǎo)致海草死亡。海草根際微生物組成取決于碳源和氧氣[92]。多環(huán)芳香烴作為碳源，影響海菖蒲海草床沉積物中的微生物群落豐度[61]。在寡營(yíng)養(yǎng)鹽中發(fā)現(xiàn)海草排放的溶解有機(jī)碳是沉積物細(xì)菌的重要碳源[103]。玫瑰桿菌可以吸收海草死亡時(shí)釋放的二甲基巰基丙酸進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，形成海草附生微生物中主要優(yōu)勢(shì)種群[104]。

5.2 固氮作用與氮循環(huán)

海草葉表和根表微生物的固氮作用提高了海草床生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。固氮細(xì)菌為海草提供了所需氮量的65%左右[96,105]，有研究表明，影響泰來(lái)草海草床初級(jí)生產(chǎn)力的氮元素有4%～38%由藍(lán)細(xì)菌貢獻(xiàn)[105]。海草根際硫酸鹽還原菌、根瘤菌屬（Rhizobium）和梭菌屬（Clostridium）等固氮細(xì)菌是海草床固氮作用主要貢獻(xiàn)者[105–106]。海桿菌屬可以同化海草床海水和沉積物中的硝酸鹽。海草葉表紅螺菌科（Rhodospirillaceae）厭氧光合細(xì)菌和硫酸鹽還原菌具有固氮能力。沉積物和根際的硫酸鹽還原細(xì)菌貢獻(xiàn)了海草床固氮作用的25%～95%[107]，其貢獻(xiàn)程度存在地區(qū)差異性[105,108]。溫帶海草微生物固氮率占所需氮量的5%～25%，而熱帶海草微生物固氮率所需氮量的65%以上[96,105]。硫酸鹽還原菌的固氮量受碳的限制，與海草光合產(chǎn)物溶解有機(jī)碳通過(guò)根滲出量有關(guān)[103]。海草內(nèi)生菌也具有固氮和硫酸鹽還原功能。從鰻草中分離到具有固氮能力的硫酸鹽還原菌—脫硫弧菌屬[56]，在大洋波喜蕩草中鑒定出含有固氮基因（nifH）的內(nèi)生菌[51]，這表明海草內(nèi)生微生物具有為宿主提供營(yíng)養(yǎng)的功能。海草根際固氮細(xì)菌和硫酸鹽還原細(xì)菌的生物量隨著深度和季節(jié)變化而變化[105]。

海草與微生物之間的氮循環(huán)關(guān)系比較復(fù)雜。不同海草部位吸收不同形式的氮，泰來(lái)草、單脈二藥草（Halodule uninervis）和圓葉絲粉草（Cymodocea rotundata）等熱帶海草的葉組織更容易吸收 N和尿素，而根組織更容易吸收N和氨基酸[109]。海草沉積物中發(fā)生的脫氮作用小于非海草區(qū)沉積物，這可能是由富營(yíng)養(yǎng)化條件下海草與硝化細(xì)菌對(duì)氨基酸和 N的直接競(jìng)爭(zhēng)吸收[105]造成的。在富營(yíng)養(yǎng)水體中的海草床脫氮作用比例與 N的濃度相關(guān)[110]。鰻草根際的硝化、脫氮和氨化率遠(yuǎn)高于裸露沉積物，受到硝酸鹽的濃度以及植物根系釋放氧氣的影響[111]。海草根系對(duì)溶解無(wú)機(jī)氮（DIN）和溶解有機(jī)氮（DON）具有高度親和力[112]。海草葉子和根部微生物固氮率變化較大[113]。海草根部脫氮作用主要是由γ-變形桿菌和β-變形桿菌和擬桿菌綱等多種脫氮微生物合作完成的[114]。

5.3 硫酸鹽還原反應(yīng)與硫循環(huán)

雖然硫酸鹽還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生對(duì)海草有毒害作用的硫化氫，但是健康海草床沉積物的硫化氫濃度通常在白天較低[36]，主要是因?yàn)楹２莨夂献饔冕尫诺难鯕馔ㄟ^(guò)根轉(zhuǎn)運(yùn)至沉積物中激活硫化物氧化菌將硫化物轉(zhuǎn)化為硫醇[89]。“雙殼貝類(lèi)、海草和硫化物氧化細(xì)菌三體共生假說(shuō)”認(rèn)為，雙殼貝類(lèi)中的硫化物氧化細(xì)菌分解環(huán)境中硫化物，使生活在其中的海草受益[115]。大洋波喜蕩草地下生物量與硫酸鹽還原反應(yīng)成正相關(guān)[103]，這表明硫酸鹽還原反應(yīng)可能會(huì)促進(jìn)海草生長(zhǎng)。硫化物雖然會(huì)抑制海草生長(zhǎng)繁殖，但是也促進(jìn)了微生物固氮作用。海草沉積物中約60%的硫酸鹽還原菌具有固氮能力，這表明，海草床沉積物中的硫酸鹽還原反應(yīng)與生物固氮作用之間聯(lián)系緊密。在碳受限的沉積物中，光照加強(qiáng)促進(jìn)了海草光合作用，提高了固碳率，使溶解有機(jī)碳滲出物增加，進(jìn)入沉積物中增強(qiáng)了微生物硫酸鹽還原活動(dòng)[99]。海草與微生物通過(guò)硫酸鹽還原反應(yīng)與光合作用再促進(jìn)海草床硫循環(huán)和碳循環(huán)。

5.4 海草微生物群的保護(hù)功能與抑制作用

海草微生物群落具有清除植物有毒化合物，增加宿主生態(tài)適應(yīng)性的功能。泰來(lái)草無(wú)菌苗在添加與不添加氮源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)無(wú)顯著差異，可能是由于微生物在海草營(yíng)養(yǎng)吸收和生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[116]。海草通過(guò)生產(chǎn)H2O2和半胱天冬酶聯(lián)合策略來(lái)對(duì)抗真菌感染[117]。海草根際放線(xiàn)菌和某些附生細(xì)菌具有為宿主提供抵御病原體的功能[72,118]。海草葉子富含酚類(lèi)化合物，可以防止微生物入侵[119]。雖然海草微生物具有防御功能，但目前并沒(méi)有證據(jù)證明這是海草微生物群落的普遍特征。反過(guò)來(lái)，微生物也可以抑制海草的生長(zhǎng)。疫霉屬（Phytophthora）和海疫霉屬（Halophytophthora）等真菌可以抑制鰻草種子萌發(fā)[48]。細(xì)菌和真菌可以入侵澳洲波喜蕩草（Posidonia australis）健康葉子，從而抑制海草生長(zhǎng)[120]。

6 海草共生功能體與海草核心微生物組

6.1 海草共生功能體與核心微生物組的定義

共生功能體是宿主生物及其密切功能關(guān)聯(lián)微生物群落共同構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立“超有機(jī)體”[100,121?122]。海草及其相關(guān)微生物群落構(gòu)成海草共生功能體，這些微生物群落主要包括與海草長(zhǎng)期保持關(guān)系的細(xì)菌、古菌、真菌、原生動(dòng)物與病毒等。海草共生功能體微生物群落即海草微生物組，從關(guān)聯(lián)程度上主要分為海草核心微生物組和海草非核心微生物組。核心微生物組是基于微生物在宿主內(nèi)的持久性、關(guān)聯(lián)性、穩(wěn)定性以及跨越時(shí)空邊界的生態(tài)位中共享的，潛在具有關(guān)鍵生理功能或生態(tài)功能的微生物群[123?124]。但是，目前關(guān)于核心微生物組的定義沒(méi)有形成準(zhǔn)確的共識(shí)。因此，確定核心微生物組標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮研究目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、宿主棲息地環(huán)境、采樣方法、樣本量、測(cè)序方法、分析工具和所涉及的生態(tài)問(wèn)題等[125]。核心微生物組又可分為分類(lèi)核心微生物組和功能核心微生物組[126]。海草核心操作分類(lèi)單元（Operational Taxonomic Units,OTU）是指每個(gè)海草物種或位置的所有重復(fù)樣品中100%存在的OTU[72]，即一個(gè)海草生態(tài)位在所有樣品共有的OTU為該生態(tài)位的海草核心微生物組[75,127?128]。海草核心微生物組應(yīng)該是可以穩(wěn)定、持久地與海草發(fā)生關(guān)鍵功能的微生物群。所有樣品中超過(guò)2/3的生物學(xué)重復(fù)存在的任何OTU（相對(duì)豐度大于0）均被歸類(lèi)為核心OTU[73]。

6.2 海草共生功能體的微生物群落組成

生態(tài)、宿主和環(huán)境因素共同影響海草共生功能體的多樣性與分布。海草共生功能體的細(xì)菌多樣性與不同生態(tài)位環(huán)境和功能有關(guān)[56]。海草共生功能體的微生物群落主要有硫酸鹽還原菌、硫化物氧化細(xì)菌（如ε-變形桿菌包括硫單胞菌屬（Thiomonas）和硫微螺菌屬（Thiomicrospira））、固氮藍(lán)細(xì)菌、異養(yǎng)細(xì)菌[105]和內(nèi)生真菌（如深色有隔內(nèi)生真菌（Dark Septate Endophytic））[63]等。離散的細(xì)菌、微藻和真菌群落在特定的海草生態(tài)位之間組成差異明顯大于地理位置之間的差異。不同海草生態(tài)位中核心微生物組的離散分布與陸生植物中的模式是一致的，即根際、葉際以及根內(nèi)和葉內(nèi)微生物群落既不同于彼此，也不同于周?chē)练e物[129]。海草葉子和根部微生物的β多樣性存在較大差異[76,81]。海草葉際核心微生物群主要由α-變形桿菌和γ-變形桿菌組成，而根和根狀莖的核心微生物群主要包括δ-變形菌[73]。大洋波喜蕩草葉子、根和根狀莖的表面主要有固氮細(xì)菌和硫酸鹽還原菌δ-變形桿菌[113]。海草根部細(xì)菌群落主要為γ-變形桿菌和ε-變形桿菌[66]。長(zhǎng)萼喜鹽草（Halophila stipulacea）葉和根的核心菌群主要為α-變形桿菌綱、γ-變形桿菌綱和δ-變形桿菌綱等類(lèi)群[75]。

6.3 海草共生功能體的微生物群落功能

陸地植物共生功能體的功能主要包括植物免疫調(diào)節(jié)、固氮供植物使用、緩解從葉子與根分泌的甲醇和乙醇等有害產(chǎn)物[130]。由于海草生長(zhǎng)于高鹽、低氧、硫化物濃度高的環(huán)境，海草和微生物共生功能可能與陸地植物相似，也有差異之處。海草和微生物的共生功能可以影響海草的生產(chǎn)力和健康[71]。目前對(duì)海草共生功能體微生物群落的功能研究較少，關(guān)注點(diǎn)主要在碳循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)、光合作用、固氮作用和硫酸鹽還原反應(yīng)等方面。海草共生功能體中最重要的相互關(guān)聯(lián)物質(zhì)是氧氣和硫化物[100]。硫化物對(duì)海草是有毒害作用的[131?132]，海草根部硫酸鹽氧化細(xì)菌利用根部氧氣氧化硫化物[81,83,92,133]。硫化物氧化細(xì)菌在海草根部通過(guò)氧化沉積物周邊硫酸鹽還原細(xì)菌產(chǎn)生的硫化氫促進(jìn)其與海草共生[92]。海草葉子表面的異養(yǎng)附生微生物利用海草的光合產(chǎn)物[134]，通過(guò)固氮作用為海草提供氮源。內(nèi)生真菌是海草共生微生物群落中的重要類(lèi)群之一，對(duì)海草的生長(zhǎng)和健康尤為重要，有研究表明[63]，深色有隔內(nèi)生真菌與大洋波喜蕩草之間存在潛在的重要共生關(guān)系。此外，海草微生物可以分解對(duì)海草生長(zhǎng)有害的硫化物、甲醇、乙醇等化合物，也可以產(chǎn)生瓊脂水解酶抑制附著藻類(lèi)，還可以產(chǎn)生吲哚乙酸以及細(xì)胞分裂素、乙烯、一氧化氮等植物生長(zhǎng)素 和 生 長(zhǎng) 調(diào) 控 因 子[100,135]。

7 環(huán)境因子對(duì)海草床微生物的影響

環(huán)境因子影響海草床微生物群落的組成和功能。不同類(lèi)型環(huán)境壓力的持續(xù)累積將使海草共生功能體從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)向脆弱或者疾病狀態(tài)，甚至導(dǎo)致死亡。海水富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)海草微生物互作的影響是復(fù)雜的。富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致水體氮和磷濃度過(guò)高，引起藻類(lèi)迅速增加，產(chǎn)生的大量有機(jī)物質(zhì)消耗了表層沉積物氧氣，增加了硫酸鹽還原細(xì)菌與硫化物，同時(shí)由于藻類(lèi)的覆蓋減弱了海草的光合作用，導(dǎo)致海草生長(zhǎng)受到抑制甚至死亡[30]。在淺水裸露生境中，附生微藻可以降低陽(yáng)光照射或減少干燥的負(fù)面影響。因此，海草對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的響應(yīng)有負(fù)面的也有正面的[30]。環(huán)境脅迫可能會(huì)促進(jìn)潛在海草有益共生微生物的定植[136]。日本鰻草葉際可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)高于陸生植物[137]，這可能是海草與細(xì)菌互作適應(yīng)了水下高鹽、低氧、可見(jiàn)光弱等特殊環(huán)境的結(jié)果。在健康海草床中，網(wǎng)黏菌無(wú)致病性，但是環(huán)境脅迫導(dǎo)致網(wǎng)黏菌具有致病性[138]。海草沉積物微生物群落對(duì)多環(huán)芳香烴脅迫較敏感[61]。

8 研究展望

8.1 海草病害與健康

海草床微生物影響海草的新陳代謝活動(dòng)和健康。在全球環(huán)境變化下，海草可能會(huì)越來(lái)越容易受到疾病的影響。海洋酸化、氣候變暖、硫化物和富營(yíng)養(yǎng)化等可能會(huì)影響到海草與病原體的關(guān)系，但海草發(fā)病機(jī)制大部分都是未知的。未來(lái)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)海草病害的基礎(chǔ)研究，建立海草病害數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)應(yīng)對(duì)海草疾病暴發(fā)的響應(yīng)能力，嘗試采用海草與病原體的生態(tài)模型研究環(huán)境變化與海草病害之間的關(guān)系。

8.2 海草床微生物與海草核心微生物組

海草床微生物群落控制海草生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)和健康以及維持海草生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)。目前，對(duì)海草床微生物群落組成的影響因素具有的普遍認(rèn)識(shí)主要是海草微生物組與沉積物和海水中的微生物群落存在較大差異[71–74,76,81]，且海草微生物組分布在離散的不同生態(tài)位且 存在明顯差異[71?76,81]。而其他因素對(duì)海草微生物組的結(jié)構(gòu)影響沒(méi)有普遍性的答案。海草微生物群落是特定微環(huán)境的局部化內(nèi)在特征和更大規(guī)模環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素共同作用的產(chǎn)物[72]。但是迄今為止，由于取樣方法、地理區(qū)域、海草種類(lèi)、環(huán)境變化和研究時(shí)間等差異，海草微生物群落結(jié)構(gòu)的影響因素難以得出普適性的科學(xué)規(guī)律。海草微生物群落在小尺度上是高度異質(zhì)的，但這種結(jié)構(gòu)在廣泛的地理尺度上保持不變的模式，表明海草微生物群落高度專(zhuān)門(mén)化，具有重要的生態(tài)意義[73]。海草核心微生物群落在不同的生態(tài)位中也存在明顯差異。在牟氏鰻草（Zosteramuelleri）中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)核心微藻和真菌，表明海草和特定微藻與真菌類(lèi)群的生態(tài)耦合較弱。但是，海草和細(xì)菌的新陳代謝和生態(tài)耦合較強(qiáng)。此外，大部分海草核心微生物群落都參與硫循環(huán)。研究海草床微生物群落與海草核心微生物組的結(jié)構(gòu)與功能具有重要意義。

8.3 海草微生物的相互作用

海草與微生物的互作關(guān)系包括共生、腐生、寄生和致病等，其大部分機(jī)制都是未知的。微生物群落不僅對(duì)海草生長(zhǎng)和健康具有影響，而且還控制海草群落演替，甚至調(diào)控海草床生物化學(xué)循環(huán)。海草為微生物提供了大量潛在的定植微環(huán)境。海草與微生物互作程度體現(xiàn)了環(huán)境因子對(duì)海草的影響。分析化學(xué)方法和代謝組學(xué)分析有潛力解釋海草與微生物相互作用的化學(xué)生態(tài)學(xué)。

8.4 海草床微生物與環(huán)境之間的關(guān)系

潛在的擾動(dòng)閾值和協(xié)同效應(yīng)等環(huán)境對(duì)海草健康的影響可能是累積和非線(xiàn)性的。例如海洋酸化、氣候變暖、硫化物和富營(yíng)養(yǎng)化等影響海草與微生物的關(guān)系是復(fù)雜的。研究海草與微生物之間的相互作用可以解析微生物群落在維持海草床健康和生產(chǎn)力的特殊功能和作用。目前，微生物在海草應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)的因果關(guān)系與分子機(jī)制是未知的。將來(lái)可以研究營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷、硫化物、病原體、溫度和pH等環(huán)境脅迫對(duì)海草與微生物之間相互作用的影響，促進(jìn)理解微生物在海草健康和退化時(shí)的作用以及海草微生物如何緩沖環(huán)境壓力帶來(lái)的負(fù)面影響，探索海草床中微生物與海草、環(huán)境變化之間的相互關(guān)系，對(duì)于制定有關(guān)管理和保護(hù)受威脅的海草床具有重要意義。

8.5 海草床微生物研究方法

在過(guò)去幾十年，對(duì)海草與微生物相互作用的研究方法主要是傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)、顯微觀(guān)察、生物化學(xué)測(cè)量以及分子生物學(xué)方法。將來(lái)可以使用特殊微生物分子探針與單細(xì)胞耦合成像方法、生物地球化學(xué)方法、高通量測(cè)序分子生物技術(shù)、宏基因組、轉(zhuǎn)錄組與代謝組學(xué)分析、網(wǎng)絡(luò)分析統(tǒng)計(jì)和模型預(yù)測(cè)等新穎且強(qiáng)大的方法研究海草與微生物互作及其與環(huán)境的復(fù)雜關(guān)系，闡明海草床生物地球化學(xué)過(guò)程，探索海草與微生物協(xié)同凈化水質(zhì)的機(jī)理，為對(duì)海草床微生物生態(tài)作用的認(rèn)識(shí)提供新見(jiàn)解。