海洋所在深海偏頂蛤甲烷氧化共生菌環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化研究獲新進(jìn)展
近日,中國科學(xué)院海洋研究所在深海偏頂蛤甲烷氧化內(nèi)共生菌種內(nèi)多樣性及環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制研究取得新進(jìn)展,相關(guān)成果以題為“Mosaic environment-driven evolution of the deep-sea mussel Gigantidas platifrons bacterial endosymbiont” 的研究論文在國際微生物學(xué)期刊《Microbiome》發(fā)表。
深海冷泉和熱液生態(tài)系統(tǒng)中,許多無脊椎動(dòng)物通過與化能合成細(xì)菌建立專一性共生關(guān)系,以獲取物質(zhì)和能量。平端深海偏頂蛤(Gigantidas platifrons)是西北太平洋化能生態(tài)系統(tǒng)中的代表性優(yōu)勢(shì)物種。它們鰓絲上皮細(xì)胞中存在著專一性的甲烷氧化共生菌。這些甲烷氧化共生菌不僅是深海偏頂蛤的重要營養(yǎng)來源,還在宿主的極端環(huán)境適應(yīng)中扮演重要角色,幫助它們成功適應(yīng)冷泉和熱液迥異的生活環(huán)境。由于熱液和冷泉的重金屬濃度、硫化氫含量、pH等環(huán)境因素存在差異,這種異質(zhì)性的棲息地環(huán)境為我們研究深海共生細(xì)菌遺傳多樣性及功能共生體環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制提供了理想模型。然而,目前常規(guī)的宏基因組拼接方法無法解析高度相似的菌株,因而對(duì)熱液和冷泉共生菌的菌株特征無法進(jìn)行有效區(qū)分,阻礙我們對(duì)其不同環(huán)境適應(yīng)機(jī)制的認(rèn)知。 ?????
本研究充分利用PacBio Hifi測(cè)序的長片段和高準(zhǔn)確度的特性,開發(fā)了具備菌株解析能力的宏基因組分析流程,成功解析了平端深海偏頂蛤復(fù)雜的菌株多樣性。宏基因組拼接共獲得28個(gè)菌株基因組,分為三個(gè)與環(huán)境相關(guān)的分枝,包括2個(gè)熱液型分枝和1個(gè)冷泉型分枝。不同棲息地深海偏頂蛤具有不同的共生菌菌株組成。菌株水平的比較基因組分析揭示了共生菌環(huán)境選擇下的鑲嵌式進(jìn)化模式:編碼中心代謝及共生互作相關(guān)功能的核心基因,如甲烷氧化、氨基酸和輔酶合成基因,在不同的分枝中是相對(duì)保守的;而分枝特異性基因是快速進(jìn)化的,其中包括環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)基因,編碼重金屬抗性、pH穩(wěn)態(tài)維持和硝酸鹽利用等重要功能。此外,菌株水平的基因組組裝還揭示了可移動(dòng)遺傳元件(轉(zhuǎn)座元件和質(zhì)粒)在共生菌環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化中發(fā)揮的重要作用。它們通過在基因組內(nèi)或基因組間的“移動(dòng)”,推動(dòng)了遺傳創(chuàng)新和基因組進(jìn)化。 ?????
本研究通過對(duì)深海偏頂蛤共生細(xì)菌菌株水平的基因組組裝,解析了其在異質(zhì)性環(huán)境下的遺傳分化,發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座元件和質(zhì)粒在水平傳遞共生菌基因組適應(yīng)性進(jìn)化中的關(guān)鍵作用,提出了環(huán)境驅(qū)動(dòng)下由可移動(dòng)遺傳元件介導(dǎo)的共生菌適應(yīng)性進(jìn)化模型。研究結(jié)果豐富了對(duì)深海共生細(xì)菌多樣性及深海功能共生體環(huán)境適應(yīng)性的認(rèn)識(shí)。 ?????
孫妍副研究員和王敏曉研究員為論文共同第一作者,李超倫研究員和孫松研究員為共同通訊作者。?該研究得到嶗山實(shí)驗(yàn)室“十四五”重大項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、泰山學(xué)者攀登計(jì)劃等項(xiàng)目聯(lián)合資助。 ?????
論文信息:Yan Sun#, Minxiao Wang#, Lei Cao, Inge Seim, Li Zhou, Jianwei Chen, Hao Wang, Zhaoshan Zhong, Hao Chen, Lulu Fu, Mengna Li, Chaolun Li* & Song Sun*.?Mosaic environment-driven evolution of the deep-sea mussel?Gigantidas platifrons?bacterial endosymbiont.?Microbiome?11, 253 (2023). https://doi.org/10.1186/s40168-023-01695-8?????
https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-023-01695-8 ?????

圖1 深海偏頂蛤Gigantidas platifrons冷泉、熱液不同棲息地環(huán)境

圖2 深海偏頂蛤共生菌基因組鑲嵌式環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化模式圖
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