珊瑚的微生物组：守护珊瑚的菌群与对抗白化的益生菌研究

珊瑚并非一只生物——共生功能体的视角

构筑珊瑚礁的造礁珊瑚，与海葵和水母同属刺胞动物。但在显微镜下观察其身体便会发现，栖居其中的远不止宿主自己。细胞内密布着进行光合作用的虫黄藻（Symbiodiniaceae科），覆盖体表的黏液与骨骼缝隙中，则生活着据估计多达数千种的细菌。再加上古菌、真菌，以及感染细菌的病毒（噬菌体），研究者把这一整体当作一个生物单位来处理。这就是共生功能体的概念。

这一视角之所以重要，是因为仅凭宿主的基因无法解释「珊瑚的健康」。即便是同一物种、遗传背景相近的珊瑚，栖息地点不同、经历过的水温不同，体内微生物的组成也会大相径庭。组成不同，对热压力和病原体的反应自然也不同。

构成珊瑚的四类居民

把共生功能体的主要成员及其分工整理出来，大致如下。宿主负责「盖楼」，虫黄藻充当「发电厂」提供糖分，细菌承包「上下水道与安保」——这样的比喻更接近实情。

黏液——一片巨大的培养基

珊瑚不断从体表分泌黏液。这既是缠住泥沙并将其冲走的「清洁机制」，对微生物而言又是富含糖类与蛋白质的丰饶培养基。多项研究反复报告，黏液层中的细菌密度比紧邻的海水高出数个数量级。

关键在于，这层黏液并非单纯的「污垢」，而是隔开外界与体内的第一道防线。只要定殖于此的常驻菌占据了空间与养分，外来病原菌便无处下手。反之，一旦黏液性质改变或常驻菌减少，机会性病原菌就有了大举增殖的余地。这与人体皮肤常驻菌和肠道菌群的道理完全一致。

还有一点不容忽视：黏液对周边生态系统同样发挥着作用。珊瑚释放的黏液在水中漂浮，作为有机物被微生物和小型动物消耗，进而汇入整个礁体的食物网。珊瑚的微生物组不仅左右着单个群体的健康，也处在礁体物质循环的入口处。

微生物组在珊瑚体内究竟做什么

光说「在共生」，若不能具体说明它们提供了什么，讨论便无法推进。随着基因组解析与代谢物测定的进展，珊瑚共生细菌的作用如今已能在相当具体的基因层面上加以描述。以下介绍四项代表性功能。

让氮和硫循环起来

珊瑚礁被称为「贫营养海域中的绿洲」。周围海水几乎没有营养盐，却能维持压倒性的生物量，靠的正是在系统内部对有限元素的彻底再利用。承担这一循环的是细菌。携带固氮基因（nifH）的细菌把来自大气的氮转化为共生功能体可利用的形式；而携带反硝化基因（nirK）的细菌则把多余的氮排出体系之外。

后者乍看之下似乎浪费，实则至关重要。因为已知氮一旦过剩，只有虫黄藻会过度增殖，从而打破与宿主之间的平衡。细菌不只是提供养分，还承担着「拧紧水龙头」、防止供给失控的职责。

分解DMSP、清除活性氧

虫黄藻与珊瑚会大量合成一种叫作二甲基巯基丙酸内盐（DMSP）的硫化合物。DMSP不仅参与渗透压调节，还具有抗氧化作用。部分共生细菌携带分解DMSP的基因（dmdA），调控着这一硫化合物的流向。

抗氧化对珊瑚而言是生命线。一旦遭遇高水温和强光，虫黄藻的光合系统就会受损，活性氧（ROS）随之泄漏。这些活性氧损伤宿主细胞，被认为是白化的诱因之一（详见珊瑚白化为何发生？）。若身旁有携带过氧化氢酶等清除活性氧之酶的细菌，便可代为承担这份负荷——这正是益生菌研究的理论支柱之一。

供给维生素、把病原体挡在门外

检视被选为有益菌候选的细菌基因组会发现，它们普遍具备维生素B2（核黄素）、B7（生物素）、B9（叶酸）的合成途径，也就是在提供宿主与虫黄藻无法自行合成的辅酶。此外，许多候选菌还会产生抑制其他细菌增殖的抗菌物质。

• 营养供给：固氮、合成B族维生素、分解并再利用有机物
• 缓解压力：清除活性氧、代谢DMSP、合成四氢嘧啶等保护性物质
• 防御感染：产生抗菌物质，并在黏液层中占据空间与养分（竞争性排除）
• 环境响应：随水温与水质变化重组群落构成，比宿主更快地完成「适应」

常驻菌中的主角——内共生单胞菌属（Endozoicomonas）

用16S rRNA基因解析珊瑚的微生物组，会发现全球众多珊瑚中反复占据优势的一个属：内共生单胞菌属（Endozoicomonas）。其名意为「栖居于动物体内者」，不仅见于珊瑚，也广泛出现在海绵、海鞘等海洋无脊椎动物身上。

为何被视为「有益菌」

内共生单胞菌属拥有一种其他细菌少见的生活方式：在珊瑚组织内形成细胞聚集体，稳定地定居下来。基因组解析显示，该属具备分解DMSP、糖代谢（糖酵解）等多条被认为对宿主有益的代谢途径。

• 稳定定殖于珊瑚组织内，压缩外来菌入侵的空间
• 分解DMSP，参与硫循环
• 很可能以宿主可利用的形式提供营养素与代谢产物
• 在健康珊瑚中占优势，而在白化或患病个体中相对含量趋于下降

随高温而减少——作为健康晴雨表的用法

研究积累所揭示的一个倾向是：内共生单胞菌属的相对含量，大体上与虫黄藻的数量同步增减。热压力导致白化推进时，多数报告显示内共生单胞菌属会随着虫黄藻的流失而同步减少。

不过事情并没有这么简单。红海的疣状杯形珊瑚（Pocillopora verrucosa）即便追踪到白化直至死亡，内共生单胞菌属仍持续占优——这说明不同物种间微生物组的「柔韧度」截然不同。有的珊瑚会重组微生物组以应对环境变化，有的则与固定的伙伴共存亡。这一差异，是判断益生菌对哪类珊瑚更易奏效的重要线索。

如何研究——16S rRNA与宏基因组

支撑这些认识的，是无需培养即可研究微生物的基因解析技术。过去的微生物研究只能处理「能在培养皿里养活的菌」，而海洋细菌绝大多数无法在实验室中生长，珊瑚身上的菌也不例外。

当前的主流方法，是读取所有细菌共有的16S rRNA基因片段，再从序列模式推断「哪些类群、各占多少」。若进一步采用把样本中DNA整体读取的宏基因组解析，则不仅能知道群落的成员构成，还能知道「具备哪些功能基因」。之所以能够谈论固氮基因nifH或DMSP分解基因dmdA的有无，正得益于这项技术。

但也需注意：16S rRNA解析给出的是相对比例，而非绝对数量。「白化珊瑚中内共生单胞菌属的占比下降了」这一结果，可能意味着该菌确实减少，也可能只是别的菌骤增而使其占比在表观上被压低。解读时需要谨慎。

平衡被打破之时——菌群失调与疾病

微生物组失去健康平衡的状态，借用医学术语称为菌群失调（dysbiosis）。在珊瑚身上，白化与疾病的现场无一例外都能观察到这种紊乱。只是要分辨究竟是「因为紊乱才生病」还是「因为生病才紊乱」，远比想象中困难。

「白化是细菌之过吗」——持续二十年的争论

1990年代后期，一项研究提出地中海珊瑚Oculina patagonica的白化由一种名为Vibrio shiloi的细菌引起，引发广泛关注。因为它在「白化＝高水温」的常识之外，提出了传染病这一全新解释。这一发现直接奠定了后来珊瑚益生菌假说的基础。

然而其后，2007年一项以同种珊瑚为对象的研究在《ISME Journal》上发表，认为「细菌并非白化的主因」，争论又回到了原点。目前的共识大致是：白化的主因是高水温本身，但微生物组的紊乱会加剧白化，并在很大程度上左右白化后的恢复与死亡率。细菌与其说是扳机，不如说是决定病程走向的因素。

超过26℃便露出獠牙的Vibrio coralliilyticus

把温度与致病性的关系展现得最为清晰的，是Vibrio coralliilyticus这种细菌。实验表明，它对珊瑚Pocillopora damicornis在25℃前后会引发白化，而一旦超过26℃便产生强力的金属蛋白酶（蛋白质分解酶），直接把组织溶解。同一种细菌，会随水温这一条件，从「使其白化的菌」变为「致其死亡的菌」。

海洋热浪来袭时，珊瑚变弱的同时病原菌一方却被激活。这种双重作用，被认为是高水温期疾病爆发式蔓延的原因之一（另可参阅什么是海洋热浪）。

史上最严重的传染病——SCTLD

微生物与珊瑚的关系以最戏剧化的形式呈现出来的，正是SCTLD（Stony Coral Tissue Loss Disease／石珊瑚组织缺损病）。它于2014年在佛罗里达近海首次被报告，随后迅速蔓延至整个加勒比海。

• 可感染20种以上（部分资料称约30种）造礁珊瑚，宿主范围极其广泛
• 已在加勒比海18至28个国家和地区被确认，地理扩散范围前所未有
• 病变以每天5至40平方厘米的速度使组织丧失，数周之内整个群体便可能全军覆没
• 推测通过随洋流漂移的微粒在礁体之间传播，但致病病原体至今尚未确定

「给珊瑚投放益生菌」这一构想

为了调理肠道环境而摄取乳酸菌——把这一思路搬到珊瑚身上的，正是珊瑚益生菌研究。看似突兀，其依据却可追溯到二十年前的一篇论文。

珊瑚益生菌假说（2006年）

2006年，Reshef等人在《Environmental Microbiology》上发表了「The Coral Probiotic Hypothesis（珊瑚益生菌假说）」。其要旨是：珊瑚与共生微生物的关系并非固定不变，而是会随环境条件选择出最有利的组合。

作为依据列举了三点：①珊瑚的黏液与组织中存在多样且大量的细菌；②环境条件改变时细菌群落会迅速更替；③不具备获得性免疫的珊瑚，仍能获得对病原体的抵抗力。其中第三点尤为重要。既然无法产生抗体的珊瑚也能变得抗病，那么承担这份「免疫记忆」的是否正是共生微生物？循此思路，从外部投放有益菌以提升抵抗力这一干预手段，也就有了理论依据。

珊瑚与共生微生物之间存在动态关系，随着环境条件的变化，最有利的共生功能体会被选择出来。

― 摘译自Reshef等（2006）《The Coral Probiotic Hypothesis》，Environmental Microbiology 摘要

BMC——筛选有益微生物的框架（2017年）

使假说更接近实用的，是Peixoto等人于2017年提出的BMC（Beneficial Microorganisms for Corals／珊瑚有益微生物）框架。正如人类食品领域对「益生菌」有明确定义与标准，该框架也以功能定义了「哪些菌可视为对珊瑚有益」。

BMC候选菌是从珊瑚分离出的细菌中，按照以下性状筛选出来的。关键在于并非只要「取自珊瑚」即可，而是要以功能为准绳。

1. 携带固氮（nifH）或反硝化（nirK）相关基因，对营养循环有贡献
2. 携带DMSP分解基因（dmdA），参与硫化合物代谢
3. 能通过过氧化氢酶活性等途径清除活性氧
4. 能合成维生素B2、B7、B9等辅酶
5. 对弧菌属等已知珊瑚病原体表现出拮抗性抗菌活性
6. 对珊瑚及周边环境不具有害性质（产毒、过度增殖等）

为何不用抗生素而用有益菌

对患病珊瑚使用抗生素的治疗已在现场推行，也确有一定效果。研究重心之所以仍向益生菌转移，是因为抗生素存在三个结构性弱点。

其一，存在催生耐药菌的风险；其二，它不仅杀灭病原菌，也会把有益的常驻菌一并清除，治疗后微生物组反而更不稳定；其三，效果仅限于投药当下，无法持续。事实上也有报告指出，用抗生素清除珊瑚的细菌后，热压力下的菌群紊乱反而更加严重。

相比之下，益生菌有一个决定性的不同：只要投放的菌在当地定殖，效果便可持续。不是杀死常驻菌，而是增加好菌、夺走病原菌的立足之地。围绕人体肠道环境所发生的观念转变，正原封不动地在珊瑚身上重演。

从实验室走向大海——已展现成效的研究

接下来是实际成果。从假说提出到实证历时12年，而从水槽走向真实海域又用了6年。让我们按顺序回顾这一历程。

2018年：首次缓解白化的实验

Rosado等人将由假交替单胞菌属5株、Halomonas taeanensis 1株、Cobetia marina近缘种1株共7株组成的BMC菌群，投放给珊瑚Pocillopora damicornis。随后接种病原体Vibrio coralliilyticus，在26℃与30℃条件下进行对照。

结果十分明确。在30℃下仅投放病原体的处理组中，反映虫黄藻光合健康状况的最大量子产率（Fv/Fm）下降了54%。而同时施用BMC的处理组不但没有下降，反而略有上升（+6%），比仅接种病原体的组高出56%。该成果于2019年发表于《ISME Journal》，成为首个用实验证明益生菌在珊瑚身上有效的研究。

2021年：存活率提高40个百分点

下一个节点，是Santoro等人发表于《科学进展（Science Advances）》的长期中宇宙（大型水槽）实验。他们让巴西特有的珊瑚Mussismilia hispida暴露于白化条件下，比较投放BMC菌群的处理组与仅施用生理盐水的安慰剂组。

热压力的影响波及两组，但此后的走向就此分道扬镳。BMC处理组的所有断片全部存活，而安慰剂组的存活率仅为60%——存活率相差40个百分点。转录组分析显示，BMC处理组中与细胞修复、抗压防御、免疫相关的基因表达发生了重组，DMSP分解与脂质维持也得以保全。不停留于「看起来更精神了」，而是深入到分子层面阐明发生了什么，正是这项研究的价值所在。

2024年：在红海完成全球首次「现场」投放

在水槽里有效，不等于在海里有效。而一旦要向海中投放细菌，「会不会影响周边生态系统」这一疑问自然随之而来。正面回应这一问题的，是以沙特阿拉伯KAUST（阿卜杜拉国王科技大学）为核心的团队发表在《Communications Biology》上的研究。

他们对红海中健康的疣状杯形珊瑚群体，以每周3次、持续3个月的频率在海中直接投放有益菌。结果显示，投放的盐单胞菌属与假交替单胞菌属在珊瑚微生物组中显著增加，鲁杰氏菌属等有益类群也随之增多，具潜在致病性的弧菌属则减少。而最重要的一点是，周边海水与沉积物的细菌群落未检测到变化。这是首次在现场证明：可以只针对目标珊瑚进行改变。

能阻止疾病的细菌——McH1-7

在疾病治疗方向上也有进展。Ushijima等人从对SCTLD高度易感的珊瑚Montastraea cavernosa中，从未发病个体的微生物组里分离出了假交替单胞菌属菌株McH1-7。该菌对多种细菌表现出广谱抗菌活性，在室内试验中使62%的群体病情停止或延缓。

其后的现场试验测试了两种方法：在罩住整个群体的加重袋内注入菌液，以及把菌混入海藻酸钠药膏直接涂抹于病变处；并用三维摄影测量法追踪了两年半。研究还报告了预防性投放可抑制发病，以及经治疗群体附近的未处理群体传播速度减缓的效果。

日本的研究——发现保护虫黄藻的色素细菌

在这一领域，日本的研究也作出了重要发现。2023年1月18日，以东京大学大气海洋研究所的高木俊幸助教与井上广滋教授为核心，联合琉球大学、大阪公立大学等机构的研究团队，在《Microbiology Spectrum》上发表了成果。

栖息于虫黄藻细胞表面的Maribacter属与Roseivirga属

研究团队用抗生素对虫黄藻培养液及珊瑚组织中的细菌进行清除实验，结果发现合成类胡萝卜素的色素细菌尤其顽强地存活下来。经鉴定，它们分属Maribacter属与Roseivirga属两个类群。

这些细菌合成的是玉米黄质（zeaxanthin）——一种兼具光保护与抗氧化功能的类胡萝卜素色素。而经过菌群操作的藻株，在为期14天的强光胁迫条件下仍维持了显著更高的光合能力。也就是说，栖息在虫黄藻表面的细菌，可能正像防晒霜一样保护着虫黄藻免受强光伤害。

白化始于高水温与强光叠加导致虫黄藻光合系统受损（详见珊瑚与虫黄藻的共生是怎么回事？）。如果细菌能缓和这最初的一步，干预的靶点便不再局限于宿主珊瑚，而可扩展到虫黄藻及其常驻菌。这是值得期待的、源自日本的益生菌研究基础。

石西礁湖所昭示的现实

另一方面，日本珊瑚礁所处的境况正日趋严峻。据环境省冲绳奄美自然环境事务所的调查，在日本最大的珊瑚礁石西礁湖（位于冲绳县石垣岛与西表岛之间），2024年9月的调查中全部31个地点的平均白化率高达84.0%。

同年12月1日至6日的复查显示，平均白化率降至65.5%，确认部分群体已转向恢复。但细看构成便可发现：健全34.5%、浅色38.1%、白化1.8%，而死亡占25.5%。平均珊瑚覆盖率也从9月的17.4%下降至13.7%，减少了3.7个百分点。也就是说，虽有从白化中恢复的群体，但未能挺过去而死亡的群体更多。

环境省在《珊瑚礁生态系统保护行动计划2022-2030》中，把确立石西礁湖珊瑚群落的再生手法与持续监测列为重点课题。问题在于，能否在移植与苗圃养殖（参见珊瑚苗圃养殖与移植的全部）等既有手段之外，再添上微生物这一新选项。

微生物这一视角，也为这些现场数字提供了新的解读方式。同样暴露于相同水温之下，有的群体能从白化中恢复，有的却死去。若这一分野与微生物组的状态有关，那么监测所应测量的指标就不只是「覆盖率与白化率」。未来或许可以通过检测群体的微生物组来预测其恢复前景，从而筛选出应优先保护的个体。

课题与展望——仅仅「有效」还不够

读到这里，益生菌或许看起来像是拯救珊瑚礁的王牌。然而最为谨慎的恰恰是研究者本人。在实验室的成功与礁体的再生之间，横亘着数道巨大的高墙。

规模之墙

最大的问题是规模。全球珊瑚礁约28万平方公里，群体数量估计在数十亿至数百亿量级。而迄今现场试验的对象不过数十至数百个群体。要在礁体规模上维持「每周3次×3个月」的投放频率，并不现实。

被纳入考量的解决方向有三：①用缓释胶囊或药膏减少投放次数；②在珊瑚幼体附着阶段就让有益菌定殖；③把投放集中于保护上处于关键地位的少数群体（母珊瑚或遗传上珍贵的品系）。从「拯救全部」转向「保住物种存续所需的核心」，这一思路正在推进。

生态风险与监管、伦理

向海中释放微生物，必须经过审慎评估。红海试验虽未检出对周边环境的影响，但那是在特定海域、特定菌株、三个月这一条件下得出的结果。

• 本土性问题：从某一海域珊瑚身上取得的菌，是否可以投放到另一海域
• 长期影响：数月观察无法看到的、以年为单位的群落变化该如何评估
• 制度空白：规范向海洋投放微生物的国际框架尚未建立
• 道德风险：「技术可以解决」的认知，可能削弱减排努力

与微生物组移植（CMT）及耐热品系的组合

只使用可培养菌的方法也有其局限。因此受到关注的是微生物组移植（Coral Microbiome Transplantation, CMT）。其思路与人类的粪菌移植相同：把耐高温供体个体的组织研磨匀浆，接种给不耐热的受体。

2021年发表于《Microbiome》的研究，在杯形珊瑚属与滨珊瑚属两个属上试验了这一手法，报告称在34℃的短期热压力下，受体的白化程度低于对照组。16S rRNA解析显示，杯形珊瑚属受体中有112种、滨珊瑚属受体中有16种来自供体的细菌成功定殖。能够连同无法培养的菌一起整体转移，正是其优势所在。

若着眼于实用化，就不应只押注微生物这一条路。耐高温品系的选育（参见能否培育出耐热的珊瑚）、引入耐热性更强的虫黄藻，以及遮阳与海水循环等物理缓解措施——唯有把这些手段组合起来，才有望取得有意义的效果。

归根结底，还是要把水温降下来

研究者反复强调的一点是：益生菌是争取时间的手段，而非针对病因的对策。即便投放BMC，只要海水温度持续上升，终究会触及极限。40个百分点的存活率改善固然是了不起的成果，但那也只是「以白化发生为前提的改善」。

在IPCC等机构的评估中，即便把升温控制在1.5℃，热带珊瑚礁仍将大幅减少。益生菌与移植技术所能期待的，是让这条下降曲线变得平缓，为物种与遗传多样性熬过水温趋于稳定之前的数十年搭起一座「桥梁」。而桥的另一端由谁来铺就——归根结底，只能靠削减温室气体排放。