海草床微生物研究進展

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. 海南省海洋與漁業科學院，海南 海口 571126；2. 海南熱帶海洋學院 熱帶海洋生物資源利用與保護教育部重點實驗室，海南 三亞 572022；3. 海南大學 南海海洋資源利用國家重點實驗室，海南 海口 570228)

1 引言

海草是一類生長于溫帶與熱帶海洋區域沿岸的單子葉植物[1?2]。海草群落發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屏障，海草床在紅樹林與珊瑚礁生態系統之間起著承上啟下的紐帶作用，能夠促進海洋主要元素的循環，凈化水質并穩固海床，從而為海洋生物提供適宜生境。海草床每年可創造1.9 萬億美元的經濟價值[3–8]。近幾十年來，受人類活動和自然因素的影響，海草床嚴重退化[9–12]，全球約29%的海草床已經消失[9]，這導致全球氣候變暖加快，并可能對全球生物圈的穩定和人類社會發展產生嚴重威脅。當前的海草床研究主要涉及海草的分類、分布、生理、生態、退化及修復等方面[3,12–15]。微生物與海草的健康息息相關，但國內尚未見到系統報道海草床微生物研究進展的文獻。因此，本文通過分析與總結國內外相關的主要文獻，介紹海草床微生物研究的現狀，并探討今后的主要研究方向，為國內海草床微生物深入研究提供思路。

2 海草床的分布、功能及面臨的問題

2.1 海草床分布

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

2.2 海草床重要功能

2.2.1 固碳功能與營養循環

海草床具有固碳功能并且在海洋物質循環過程中扮演非常重要的角色。海草通過光合作用吸收二氧化碳進行碳儲存。海草床初級生產力極高，與紅樹林和珊瑚礁相近[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質促進海草床營養循環[22]。

2.2.2 凈化水質功能

海草床具有凈化海水污染物的功能。海草獨特的葉子如同過濾器，可以沉降海水懸浮物來改善水質。海草不僅吸收沉積物和海水中的無機營養鹽，而且光合作用產生的氧氣可以促進有機物分解，達到凈化水質的效果[23]。海草床具有消除魚類、無脊椎動物和人類細菌病原體的功能[24]。在南海新村灣海草床沉積物中發現能抵抗多種病原體的芽孢桿菌屬的Bacillus flexu[25]。此外，海草對調節海水和沉積物中的溶解氧、葉綠素、有機物和重金屬也起到一定的作用。

2.2.3 棲息地功能

海草床具有復雜的地上（葉子與垂直莖）和地下（根狀莖與根）三維構架空間，營造了低水流和穩定底質的舒適環境，為儒艮、海牛、綠海龜、籃子魚、海膽和海鳥等海洋生物提供了食物來源，為微藻、草食性魚類、軟體動物和甲殼動物等海洋動物幼體提供了庇護場所和附著體[7,26?27]，是重要的海洋生物棲息地。

2.2.4 生態屏障功能

海草床作為生態屏障減緩了波浪、風暴與海流對海岸的侵蝕，在連接海洋與陸地生態系統中扮演著紐帶作用[28]。海草通過根和莖促進沉積物沉降與底質穩定，改善近岸海域環境。海草床不僅是“海洋生態系統工程師”和“沿海金絲雀”，而且是海洋沿岸生態系統健康指示器[8]。

2.3 海草床面臨的問題

近年來，全球海草床發生大規模退化[4]，據統計，1879年以來全球有記錄的海草床已經消失了約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]。中國范圍內的海草床因水產養殖污染、陸源污染以及圍填海工程破壞生境等人類活動也退化 嚴 重[3,11,14, 29]。

2.3.1 海水富營養化

海水養殖、工業及生活排污等人類活動導致海水富營養化，引起海草床退化[30]。海水氮元素含量增加導致美國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]。海水富營養化引起浮游植物和附生藻類大量繁殖，覆蓋海草葉子表面，降低水體光照強度和溶解氧含量，從而導致大規模的海草死亡[32–34]。

2.3.2 硫化物毒害

硫化物被認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，可能是因為微生物共生體可以通過氧化硫酸鹽來解毒。由于海草根部氧氣缺乏，因而進行厭氧呼吸，引起底質硫化物濃度提高，導致泰來草海草床發生退化[37]。硫化物可以影響氧氣在海草組織中的運輸以及根附近沉積物氧化區的微生物群落。

2.3.3 海草病害

海草病害是海草床退化的一個重要原因。枯萎病導致美國新罕布什爾州的鰻草和佛羅里達州的龜裂泰來草（Thalassia testudinum）海草床快速退化[38–42]。日本、加拿大和新西蘭等國家的海草床也出現海草病害[43–44]。真菌和原生動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黏菌綱（Labyrinthulomycetes）、Phytomyxea、根腫菌屬（Plasmodiophora）、擬網黏菌類（Labyrinthulids）、卵菌綱（Oomycetes）和不等鞭毛門（Heterokonta）等（表1）。根腫菌屬是鰻草屬（Zostera）和二藥草屬（Halodule）[45]中產生枝癭的病原體，但其致病機理尚不清楚。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。海疫霉屬Halophytophthoraspp.導致受感染的海草種子發育受損甚至死亡[47–48]。在海草葉表經常發現海洋生物致病菌—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果。其中，自然因素包括海底火山噴發、地震、臺風等[8,22]。其他因素中，重金屬、抗生素、農藥等會影響海草生長[23,52]。開發海岸、修筑堤壩、疏浚港口航道、排放垃圾入海等人類活動導致海岸侵蝕和生境改變，也會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，導致海洋碳系統平衡發生變化以及海洋酸化等，這些均會影響海草的生理，引起海草床緩慢退化[54]。不但如此，海洋熱浪也會嚴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。細菌、真菌、微藻、古生菌和病毒斷續地棲息在海草的葉子、根、根狀莖以及周圍的沉積物和海水中。

3.1 細菌

早期檢測海草生境中細菌的多樣性主要依賴于培養方法[56]。目前主要使用DNA指紋圖譜、克隆文庫和擴增子測序方法來研究海草床細菌群落。海草表面常見細菌類群是弧菌屬（Vibrio）、假交替單胞菌屬（Pseudoalteromonas）和海洋螺菌科（Oceanospirillaceae）等需氧異養菌。海草相關的細菌群落多樣性較高，其中好氧異養菌、硫酸鹽還原菌和固氮細菌等細菌群落對海草生態和生理尤為重要[57]。海草葉際、根際和表層沉積物的細菌群落主要由α-變形桿菌綱（A lphaproteobacteria）、γ-變形桿菌 綱（Gammaproteobacteria）、黃桿菌綱（Flavobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和藍細菌門（Cyanobacteria）等組成[57]。好氧異養細菌可從海草根部延伸接近易分解的根際有機質[58]。在泰來草中分離得到固氮成團泛菌（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]。采用平板培養法從南海新村灣海草床分離到細菌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部，對其研究相對較少。通常認為，海草通過葉而不是根吸收大部分營養物質[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（Ascomycota）[61]。在鰻草和泰來草中都沒有發現叢枝菌根真菌（Arbuscular M ycorrhizal Fungi），可能與海草沉積物低氧和高鹽環境有關[56]。在大洋波喜蕩草（Posidonia oceanica）的根狀莖中發現真菌[63]，但其豐度和多樣性都遠低于陸生植物。其他一些鑒定出的少量海草內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 原生動物

原生動物可能在海草生態學中發揮重要作用。自養和異養原生動物以附生和內生的形式與海草共存。附生異養鞭毛蟲和纖毛蟲棲息在海草葉子上，以細菌和微藻等附生植物為食。異養原生生物的攝食影響細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，原生生物網黏菌（Labyrinthula zosterae）引起的海草枯萎病，導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境中，數量占海洋生態系統中原核生物的1/3，但到目前為止，沒有證據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（Euryarchaeota）和泉古菌門（Crenarchaeota）[66]。泰來草沉積物中的氨氧化細菌（AOB）主要為亞硝酸單胞菌群，其amoA豐度與沉積物銨態氮濃度和植物組織氮含量均顯著相關[67]。目前對海草床古生菌群落潛在的生態和生物地球化學意義知之甚少，需要更多研究闡明古生菌在海草生態學中的意義。

3.5 病毒

海草床病毒研究幾乎是空白的。大多數海洋病毒是噬菌體，在海洋動植物宿主中已鑒定出多種病毒[68]。病毒可能通過溶解細菌細胞而增加溶解有機碳來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，但是沉積物病毒導致沉積物細菌死亡，間接影響了沉積物環境和海草健康。大洋波喜蕩草沉積物病毒豐度遠高于沒有海草的沉積物[69]。之前研究還沒有確鑿的證據發現在海草組織中存在病毒，這可能是因為對這一領域缺乏研究[56]。但最新研究發現，在佛羅里達州坦帕灣的龜裂泰來草葉子中發現了一種新的單鏈核糖核酸病毒TVX（Turtlegrass Virus X），這是第一次報道與海草相關的病毒[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菌群落差異也較大，海水深度對海草不同部位群落的塑造有明顯影響。可見，海草床微生物在海草植株不同生態位和周邊沉積物與海水中都是變化的，不同微環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境微生物組與海草微生物組。海草床環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。海草微生物組從關聯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、海草葉內微生物和海草根內微生物（圖1）。

圖1 海草床微生物的分類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、微生物競爭和環境因素影響。海草葉子附生細菌的密度和分布取決于其與硅藻或者大型藻類的拮抗作用和競爭，同時也與葉子年齡有關[85]。細菌可以通過提供有益代謝物與營養促進海草生長[86?87]。海草代謝活動也會影響葉際微生物群落的組成和功能。海草葉子表面生長的微生物群落分泌代謝物形成“生物膜”，抵制大型海洋動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養來促進海草生長，也可以作為病原體破壞海草生長[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分子等分泌物和氧氣的動態微環境[89]。根際微生物與海草根部產生的化合物相互作用，改變根際化學環境。海草為了能夠在缺氧的沉積物中呼吸，將光合作用產生的氧氣從直立莖擴散到根部釋放進沉積物，在根際形成氧氣濃度梯度，為代謝多樣化的微生物群落創造了生存條件[90?91]。海草根際微生物主要是硫酸鹽還原細菌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]。海草根際細菌的豐度和生物量約是周圍沉積物的兩倍，但會隨著季節變化[80,93]。人類活動擾動也會降低海草根際微生物多樣性[94]。

4.3 海草內生微生物

海草內生微生物指海草組織中沒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境條件下表現出潛在致病性的微生物和對海草有益的共生微生物[95]。在海草組織中發現大量細菌、古生菌和真菌。如在泰來草、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、莖和葉子組織中發現大量真菌[61,64,96]。根和根狀莖是海草內生菌與宿主相互作用的主要區域[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]。硫酸鹽還原菌占據海草根中心附近組織，產乙酸菌（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）最外皮層細胞層中存在產乙酸菌[97]。內生真菌普遍通過物理或化學滲透進入海草組織中[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海草床的物質循環和能量流動，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擴散對海草床沉積物和根際微生物產生較大影響[99]。海草床沉積物細菌主要是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菌群落主要為嗜冷桿菌屬（Psychrobacter）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、弧菌屬、發光桿菌屬（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[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源于周圍水體中[81]。通過分析全球尺度鰻草葉際與鄰近海水微生物群落結構，可知兩者群落結構相似[81]，但是有研究結果相反，認為兩者存在較大差異[71]，這可能與采樣方法有關，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動態交換過程。

5 微生物與海草的相互作用及其生態功能

海草與微生物相互作用關系主要包括共生、腐生、寄生和致病等[100]，是從共生到疾病的連續統一體。

5.1 光合作用與碳循環

微生物不但對海草光合作用及其健康具有重要作用，同時可以驅動海草床碳循環。海草葉面無角質，有利于微生物附生，進行物質能量交換。海草為附生微生物提供適合的光環境和獲得營養的定殖表面。海草釋放光合作用產生的氧氣和有機物到根外沉積物中，促進了有氧代謝并加強微生物活動[101]。葉表的硅藻和光合細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]。在寡營養鹽中發現海草排放的溶解有機碳是沉積物細菌的重要碳源[103]。玫瑰桿菌可以吸收海草死亡時釋放的二甲基巰基丙酸進行生長繁殖，形成海草附生微生物中主要優勢種群[104]。

5.2 固氮作用與氮循環

海草葉表和根表微生物的固氮作用提高了海草床生態系統的生產力。固氮細菌為海草提供了所需氮量的65%左右[96,105]，有研究表明，影響泰來草海草床初級生產力的氮元素有4%～38%由藍細菌貢獻[105]。海草根際硫酸鹽還原菌、根瘤菌屬（Rhizobium）和梭菌屬（Clostridium）等固氮細菌是海草床固氮作用主要貢獻者[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菌貢獻了海草床固氮作用的25%～95%[107]，其貢獻程度存在地區差異性[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，與海草光合產物溶解有機碳通過根滲出量有關[103]。海草內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）的內生菌[51]，這表明海草內生微生物具有為宿主提供營養的功能。海草根際固氮細菌和硫酸鹽還原細菌的生物量隨著深度和季節變化而變化[105]。

海草與微生物之間的氮循環關系比較復雜。不同海草部位吸收不同形式的氮，泰來草、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]。海草沉積物中發生的脫氮作用小于非海草區沉積物，這可能是由富營養化條件下海草與硝化細菌對氨基酸和 N的直接競爭吸收[105]造成的。在富營養水體中的海草床脫氮作用比例與 N的濃度相關[110]。鰻草根際的硝化、脫氮和氨化率遠高于裸露沉積物，受到硝酸鹽的濃度以及植物根系釋放氧氣的影響[111]。海草根系對溶解無機氮（DIN）和溶解有機氮（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 硫酸鹽還原反應與硫循環

雖然硫酸鹽還原反應會產生對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]，主要是因為海草光合作用釋放的氧氣通過根轉運至沉積物中激活硫化物氧化菌將硫化物轉化為硫醇[89]。“雙殼貝類、海草和硫化物氧化細菌三體共生假說”認為，雙殼貝類中的硫化物氧化細菌分解環境中硫化物，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成正相關[103]，這表明硫酸鹽還原反應可能會促進海草生長。硫化物雖然會抑制海草生長繁殖，但是也促進了微生物固氮作用。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與生物固氮作用之間聯系緊密。在碳受限的沉積物中，光照加強促進了海草光合作用，提高了固碳率，使溶解有機碳滲出物增加，進入沉積物中增強了微生物硫酸鹽還原活動[99]。海草與微生物通過硫酸鹽還原反應與光合作用再促進海草床硫循環和碳循環。

5.4 海草微生物群的保護功能與抑制作用

海草微生物群落具有清除植物有毒化合物，增加宿主生態適應性的功能。泰來草無菌苗在添加與不添加氮源的培養基中生長無顯著差異，可能是由于微生物在海草營養吸收和生長過程中發揮了關鍵作用[116]。海草通過生產H2O2和半胱天冬酶聯合策略來對抗真菌感染[117]。海草根際放線菌和某些附生細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，但目前并沒有證據證明這是海草微生物群落的普遍特征。反過來，微生物也可以抑制海草的生長。疫霉屬（Phytophthora）和海疫霉屬（Halophytophthora）等真菌可以抑制鰻草種子萌發[48]。細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[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聯微生物群落共同構成一個獨立“超有機體”[100,121?122]。海草及其相關微生物群落構成海草共生功能體，這些微生物群落主要包括與海草長期保持關系的細菌、古菌、真菌、原生動物與病毒等。海草共生功能體微生物群落即海草微生物組，從關聯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的持久性、關聯性、穩定性以及跨越時空邊界的生態位中共享的，潛在具有關鍵生理功能或生態功能的微生物群[123?124]。但是，目前關于核心微生物組的定義沒有形成準確的共識。因此，確定核心微生物組標準應考慮研究目標、實驗設計、宿主棲息地環境、采樣方法、樣本量、測序方法、分析工具和所涉及的生態問題等[125]。核心微生物組又可分為分類核心微生物組和功能核心微生物組[126]。海草核心操作分類單元（Operational Taxonomic Units,OTU）是指每個海草物種或位置的所有重復樣品中100%存在的OTU[72]，即一個海草生態位在所有樣品共有的OTU為該生態位的海草核心微生物組[75,127?128]。海草核心微生物組應該是可以穩定、持久地與海草發生關鍵功能的微生物群。所有樣品中超過2/3的生物學重復存在的任何OTU（相對豐度大于0）均被歸類為核心OTU[73]。

6.2 海草共生功能體的微生物群落組成

生態、宿主和環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菌多樣性與不同生態位環境和功能有關[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））、固氮藍細菌、異養細菌[105]和內生真菌（如深色有隔內生真菌（Dark Septate Endophytic））[63]等。離散的細菌、微藻和真菌群落在特定的海草生態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、葉際以及根內和葉內微生物群落既不同于彼此，也不同于周圍沉積物[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菌和硫酸鹽還原菌δ-變形桿菌[113]。海草根部細菌群落主要為γ-變形桿菌和ε-變形桿菌[66]。長萼喜鹽草（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節、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物[130]。由于海草生長于高鹽、低氧、硫化物濃度高的環境，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力和健康[71]。目前對海草共生功能體微生物群落的功能研究較少，關注點主要在碳循環、氮循環、硫循環、光合作用、固氮作用和硫酸鹽還原反應等方面。海草共生功能體中最重要的相互關聯物質是氧氣和硫化物[100]。硫化物對海草是有毒害作用的[131?132]，海草根部硫酸鹽氧化細菌利用根部氧氣氧化硫化物[81,83,92,133]。硫化物氧化細菌在海草根部通過氧化沉積物周邊硫酸鹽還原細菌產生的硫化氫促進其與海草共生[92]。海草葉子表面的異養附生微生物利用海草的光合產物[134]，通過固氮作用為海草提供氮源。內生真菌是海草共生微生物群落中的重要類群之一，對海草的生長和健康尤為重要，有研究表明[63]，深色有隔內生真菌與大洋波喜蕩草之間存在潛在的重要共生關系。此外，海草微生物可以分解對海草生長有害的硫化物、甲醇、乙醇等化合物，也可以產生瓊脂水解酶抑制附著藻類，還可以產生吲哚乙酸以及細胞分裂素、乙烯、一氧化氮等植物生長素 和 生 長 調 控 因 子[100,135]。

7 環境因子對海草床微生物的影響

環境因子影響海草床微生物群落的組成和功能。不同類型環境壓力的持續累積將使海草共生功能體從健康狀態轉向脆弱或者疾病狀態，甚至導致死亡。海水富營養化對海草微生物互作的影響是復雜的。富營養化導致水體氮和磷濃度過高，引起藻類迅速增加，產生的大量有機物質消耗了表層沉積物氧氣，增加了硫酸鹽還原細菌與硫化物，同時由于藻類的覆蓋減弱了海草的光合作用，導致海草生長受到抑制甚至死亡[30]。在淺水裸露生境中，附生微藻可以降低陽光照射或減少干燥的負面影響。因此，海草對水體富營養化的響應有負面的也有正面的[30]。環境脅迫可能會促進潛在海草有益共生微生物的定植[136]。日本鰻草葉際可培養細菌數量遠高于陸生植物[137]，這可能是海草與細菌互作適應了水下高鹽、低氧、可見光弱等特殊環境的結果。在健康海草床中，網黏菌無致病性，但是環境脅迫導致網黏菌具有致病性[138]。海草沉積物微生物群落對多環芳香烴脅迫較敏感[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和健康。在全球環境變化下，海草可能會越來越容易受到疾病的影響。海洋酸化、氣候變暖、硫化物和富營養化等可能會影響到海草與病原體的關系，但海草發病機制大部分都是未知的。未來應該加強對海草病害的基礎研究，建立海草病害數據庫，加強應對海草疾病暴發的響應能力，嘗試采用海草與病原體的生態模型研究環境變化與海草病害之間的關系。

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、營養和健康以及維持海草生態系統的生物地球化學循環。目前，對海草床微生物群落組成的影響因素具有的普遍認識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位且 存在明顯差異[71?76,81]。而其他因素對海草微生物組的結構影響沒有普遍性的答案。海草微生物群落是特定微環境的局部化內在特征和更大規模環境驅動因素共同作用的產物[72]。但是迄今為止，由于取樣方法、地理區域、海草種類、環境變化和研究時間等差異，海草微生物群落結構的影響因素難以得出普適性的科學規律。海草微生物群落在小尺度上是高度異質的，但這種結構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門化，具有重要的生態意義[73]。海草核心微生物群落在不同的生態位中也存在明顯差異。在牟氏鰻草（Zosteramuelleri）中沒有發現核心微藻和真菌，表明海草和特定微藻與真菌類群的生態耦合較弱。但是，海草和細菌的新陳代謝和生態耦合較強。此外，大部分海草核心微生物群落都參與硫循環。研究海草床微生物群落與海草核心微生物組的結構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系包括共生、腐生、寄生和致病等，其大部分機制都是未知的。微生物群落不僅對海草生長和健康具有影響，而且還控制海草群落演替，甚至調控海草床生物化學循環。海草為微生物提供了大量潛在的定植微環境。海草與微生物互作程度體現了環境因子對海草的影響。分析化學方法和代謝組學分析有潛力解釋海草與微生物相互作用的化學生態學。

8.4 海草床微生物與環境之間的關系

潛在的擾動閾值和協同效應等環境對海草健康的影響可能是累積和非線性的。例如海洋酸化、氣候變暖、硫化物和富營養化等影響海草與微生物的關系是復雜的。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力的特殊功能和作用。目前，微生物在海草應對環境脅迫響應的因果關系與分子機制是未知的。將來可以研究營養負荷、硫化物、病原體、溫度和pH等環境脅迫對海草與微生物之間相互作用的影響，促進理解微生物在海草健康和退化時的作用以及海草微生物如何緩沖環境壓力帶來的負面影響，探索海草床中微生物與海草、環境變化之間的相互關系，對于制定有關管理和保護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

在過去幾十年，對海草與微生物相互作用的研究方法主要是傳統微生物培養、顯微觀察、生物化學測量以及分子生物學方法。將來可以使用特殊微生物分子探針與單細胞耦合成像方法、生物地球化學方法、高通量測序分子生物技術、宏基因組、轉錄組與代謝組學分析、網絡分析統計和模型預測等新穎且強大的方法研究海草與微生物互作及其與環境的復雜關系，闡明海草床生物地球化學過程，探索海草與微生物協同凈化水質的機理，為對海草床微生物生態作用的認識提供新見解。