海洋所在深海生物共生關(guān)系演化方面取得新進(jìn)展
中科院海洋所深海研究中心聯(lián)合青島華大基因研究院等機(jī)構(gòu),破譯了深海熱液索足蛤及共生菌的基因組,論證了深海雙殼貝類共生關(guān)系的獨(dú)立演化,進(jìn)一步完善了深海無脊椎共生的理論體系。相關(guān)研究成果近日在國際學(xué)術(shù)期刊《BMC Biology》(IF=7.364)發(fā)表。
深海黑暗無光,缺乏光和營養(yǎng),雙殼貝類等深海無脊椎動物通過與化能合成細(xì)菌建立共生關(guān)系獲取化能營養(yǎng),從而適應(yīng)環(huán)境并形成了深海繁茂的動物群落。雙殼貝類共生方式多樣,包括從外共生到內(nèi)共生等諸多共生表型,但其多樣共生表型的演化過程還不清楚。該研究補(bǔ)充了共生演化早期階段代表類群——索足蛤的基因組,并比較了具不同共生方式的雙殼貝類基因組。

索足蛤生存的典型熱液生境
研究人員在深海熱液采集得到索足蛤科的物種大裂蛤(Conchocele bisecta)。研究發(fā)現(xiàn)共生菌分布于大裂蛤鰓含菌細(xì)胞外,屬于外共生。優(yōu)勢共生菌與貽貝、海綿等生物的共生菌親緣關(guān)系較近,都屬硫球菌科。與已發(fā)表的共生系統(tǒng)相似,大裂蛤共生菌與宿主基因組呈現(xiàn)出明顯的營養(yǎng)互補(bǔ)和免疫互作潛力,而基因家族的擴(kuò)張收縮事件則能夠體現(xiàn)出不同共生系統(tǒng)表型上的差異。
雙殼類共生演替的關(guān)鍵基因組進(jìn)化特征
在內(nèi)共生系統(tǒng)中,氣體的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)能幫助細(xì)胞內(nèi)的共生菌獲得化能合成底物,相關(guān)基因家族常常表現(xiàn)為擴(kuò)張。在大裂蛤中,共生菌分布于細(xì)胞外,相應(yīng)的,在大裂蛤基因組中沒有觀察到氣體轉(zhuǎn)運(yùn)基因家族的擴(kuò)張現(xiàn)象。與內(nèi)共生貝類相比,大裂蛤基因組表現(xiàn)出噬菌功能相關(guān)基因家族的大規(guī)模擴(kuò)張,且擴(kuò)張的基因拷貝在鰓組織特異高表達(dá),這與大裂蛤主要依賴鰓部細(xì)胞吞噬共生菌獲取營養(yǎng)的現(xiàn)象不謀而合??焖俚墓采芰σ矠橥夤采谋硇吞峁┝艘环N新的解釋:即細(xì)胞內(nèi)的細(xì)菌總是被快速消化而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)少見活菌的“外共生”的表型。此外,為了適應(yīng)與共生菌的共存生活,參比貝類的基因組都體現(xiàn)出抗凋亡、抗LPS等進(jìn)化特征,但不同貝類發(fā)生進(jìn)化的通路又明顯不同。
以上結(jié)果表明,雙殼貝類與共生菌彼此適應(yīng)、協(xié)同演化的過程中,基因通路發(fā)生了隨機(jī)進(jìn)化,形成了不同共生表型。但“萬變不離其宗”,在自然選擇的壓力下都形成了基于營養(yǎng)物質(zhì)交換的共生現(xiàn)象,體現(xiàn)出雙殼貝類共生關(guān)系的獨(dú)立演化過程。
中科院海洋所郭揚(yáng)博士、青島華大基因研究院孟令鳳和中科院海洋所王敏曉副研究員為論文共同第一作者,青島華大基因研究院范廣益研究員、中科院南海所李超倫研究員和青島華大基因研究院劉姍姍院長為通訊作者。
文章信息:Yang Guo, Lingfeng Meng, Minxiao Wang, Zhaoshan Zhong, Denghui Li, Yaolei Zhang, Hanbo Li, Huan Zhang, Inge Seim, Yuli Li, Aijun Jiang, Qianyue Ji, Xiaoshan Su, Jianwei Chen, Guangyi Fan, Chaolun Li, Shanshan Liu. Hologenome analysis reveals independent evolution to chemosymbiosis by deep-sea bivalves. BMC Biol. 2023.21,51.
https://doi.org/10.1186/s12915-023-01551-z
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