近日，南海海洋资源利用国家重点实验室与中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心合作，通过活细胞稳定同位素标记与元拉曼组技术相结合，发现了“珊瑚—虫黄藻—共生细菌”之间碳、氮元素的传递与循环规律。相关成果发表于《微生物组》。

全球变暖背景下，珊瑚白化事件频发，珊瑚、虫黄藻及共生微生物之“珊瑚全共生体”失衡甚至崩溃。深刻理解共生成员间互作机制，对于维持营养代谢稳态、修复珊瑚生态系统、保护海洋生态多样性具有重要意义。

研究团队对珊瑚优势共生虫黄藻和非共生虫黄藻开展了长期热驯化，获得了两株具有耐热表型的虫黄藻热驯化株。利用单细胞拉曼分选仪分析发现，代谢表型筛选可以作为定向驯化的筛选依据，部分虫黄藻细胞具有“高淀粉积累”特征，为后续突变筛选与关键性状追踪提供了潜在靶点。

结合宏基因组测序和体外实验验证，研究筛选到了与宿主和虫黄藻都具有密切共生关系的鼠尾菌。通过对两种虫黄藻热驯化株与共生菌分别进行碳13和氮15底物标记，解析了共生细菌与两株虫黄藻之间的碳、氮元素循环。

结果显示，共生细菌与不同虫黄藻之间的物质传递效率与代谢物交换特征存在差异。在与非共生虫黄藻的互作中，二者间交换的代谢物以氨基酸类物质为主；与优势共生虫黄藻的互作中，二者的物质交换效率更高，存在氨基酸和碳水化合物的交换、核酸类化合物的双向转移。

研究团队针对珊瑚样品，建立了基于单细胞拉曼光谱的原位代谢物检测流程，用于跟踪珊瑚生化组成变化与白化进程之间的关系。随着白化进程的加重，珊瑚组织会丢失大量蛋白质、脂质和碳水化合物。

在此基础上，研究提出“微生物辅助的全共生体重构”方法学框架：向白化珊瑚分别加入碳13标记的两种虫黄藻热驯化株与氮15标记的共生细菌，观察珊瑚的白化恢复并检测其代谢表型。

研究发现，引入热驯化虫黄藻株及其共生细菌均能调控珊瑚组织的生化组成。在接种优势共生虫黄藻驯化株与共生细菌的处理组中，珊瑚组织内蛋白质、脂质及碳水化合物的含量均有不同程度上升；同时，与单独处理相比，二者联合处理的效应更为明显。

值得注意的是，引入非共生虫黄藻驯化株后，珊瑚组织中出现了碳水化合物信号的积累，证实，非典型共生藻类可能通过共生重构获得定植机会。

该研究加深了对复杂生态系统中跨界代谢与营养互作的理解，为评估和挖掘有益微生物来缓解热胁迫下珊瑚白化风险，提供了理论基础。

该研究得到了海南大学科研启动资金、国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目的大力支持。