海洋所研究揭示深海化能共生西伯達(dá)管蟲的宿主-共生菌互作新機(jī)制
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所李超倫團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)進(jìn)展》期刊(Science advances)發(fā)表最新研究成果,揭示了深?;芄采鞑_(dá)管蟲的宿主-共生菌互作新機(jī)制。
西伯達(dá)科管蟲是熱液、冷泉等深?;苌鷳B(tài)系統(tǒng)獨(dú)特物種,其消化系統(tǒng)完全退化,但在其體內(nèi)的特殊共生組織——營(yíng)養(yǎng)體內(nèi),管蟲與伽馬變形硫氧化菌建立細(xì)胞內(nèi)共生關(guān)系:宿主管蟲將硫化氫、氧氣和二氧化碳等氣體運(yùn)輸?shù)綘I(yíng)養(yǎng)體內(nèi)供給共生菌,而共生菌則利用還原性氣體的化學(xué)能固定生物質(zhì)滋養(yǎng)宿主。這種簡(jiǎn)單的共生關(guān)系適應(yīng)力強(qiáng)且十分高效,西伯達(dá)管蟲通常能夠快速生長(zhǎng)并迅速成為化能生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)物種之一。例如,著名的巨管蟲(Riftia pachyptila)每年可生長(zhǎng)超過(guò)85厘米,是已知生長(zhǎng)速度最快的動(dòng)物之一。這種非凡的生產(chǎn)力表明西伯達(dá)管蟲共生體系高效的代謝過(guò)程,可能由宿主-共生菌雙方共同進(jìn)化的適應(yīng)性機(jī)制驅(qū)動(dòng),但宿主-共生菌之間的互作及調(diào)控機(jī)制仍有待闡明。
為了深入研究西伯達(dá)管蟲宿主-共生菌互作及調(diào)控機(jī)制,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所與香港科技大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)采用了深海原位單細(xì)胞RNA測(cè)序(scRNA-seq)技術(shù),研究了冷泉西伯達(dá)管蟲Paraescarpia echinospica的營(yíng)養(yǎng)體組織。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了適用于深海的單細(xì)胞原位固定液及動(dòng)物樣品固定系統(tǒng),協(xié)同“發(fā)現(xiàn)”號(hào)遠(yuǎn)程線控潛水器(ROV)團(tuán)隊(duì),在南海冷泉成功采集冷泉西伯達(dá)管蟲P. echinospica生物樣品,并隨后利用FACS及單細(xì)胞測(cè)序技術(shù),構(gòu)建了P. echinospica營(yíng)養(yǎng)體的單細(xì)胞圖譜。

海洋所“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV利用深海動(dòng)物原位固定裝置采集西伯達(dá)管蟲Paraescarpia echinospica樣品
scRNA-seq分析揭示了管蟲營(yíng)養(yǎng)體內(nèi)部精細(xì)的細(xì)胞分工與功能協(xié)同。研究發(fā)現(xiàn),營(yíng)養(yǎng)體內(nèi)的不同細(xì)胞類型,包括外層被膜、血管內(nèi)皮細(xì)胞和含菌細(xì)胞等,分別表達(dá)與化能合成氣體運(yùn)輸、代謝物轉(zhuǎn)運(yùn)等功能相關(guān)的基因。這些細(xì)胞的協(xié)同作用在營(yíng)養(yǎng)體小球中形成了由外向內(nèi)的生化梯度,促進(jìn)了化能合成底物從營(yíng)養(yǎng)體外圍向中心的傳遞。研究人員發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)體內(nèi)的含菌細(xì)胞(共生細(xì)胞)可以分為有氧和無(wú)氧兩大類,分別分布在營(yíng)養(yǎng)體小球的外圈和中央。這種空間分布格局表明,管蟲在營(yíng)養(yǎng)體內(nèi)部建立了涇渭分明的有氧和無(wú)氧微環(huán)境。
有趣的是,對(duì)共生菌關(guān)鍵代謝途徑的綜合分析表明,共生菌的形態(tài)和代謝狀態(tài)與其在宿主營(yíng)養(yǎng)體小球內(nèi)位置存在空間相關(guān)性。居住在富氧外圍的含菌細(xì)胞中的共生菌形態(tài)較大(直徑可達(dá)5-8微米),并進(jìn)行自養(yǎng)碳固定生成有機(jī)質(zhì)滋養(yǎng)宿主。相反,居住在缺氧中心的共生菌形態(tài)小(直徑1-3微米)參與厭氧反硝化,幫助宿主氨廢物。營(yíng)養(yǎng)小球內(nèi)的這種空間組織使養(yǎng)分生產(chǎn)和廢物解毒同時(shí)高效進(jìn)行。

利用深海原位單細(xì)胞技術(shù)解析西伯達(dá)管蟲Paraescarpia echinospica宿主-共生菌協(xié)同互作的分子機(jī)制
本研究揭示了深海動(dòng)物共生和環(huán)境適應(yīng)的新機(jī)制,并為動(dòng)物宿主-共生微生物之間的共生相互作用帶來(lái)了新的見(jiàn)解。同時(shí),本研究的工作流程為從單細(xì)胞水平解析深海動(dòng)物的共生及環(huán)境適應(yīng)分子機(jī)制提供了一種潛在的新范式。這種方法可能為非模式生物,特別是海洋動(dòng)物的研究提供便利。李超倫研究員及香港科技大學(xué)吳若昊副教授、錢培元教授為論文共同通訊作者,海洋所王昊副研究員及香港科技大學(xué)肖紅秀博士為論文共同第一作者。研究得到了鰲山科技創(chuàng)新項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目課題、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室、香港特別行政區(qū)政府及Chau Hoi Shuen Foundation等機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
相關(guān)論文:
Hao Wang, Hongxiu Xiao, Buhan Feng, Yi Lan, Cheuk Wang Fung,? Huan Zhang,? Guoyong Yan, Chao Lian, Zhaoshan Zhong,? Jing Li, Minxiao Wang, Angela Ruohao Wu, Chaolun Li, Pei-Yuan Qian.? “Single-cell RNA-seq revealed distinct metabolic “micro-niches” and close host-symbiont interactions in deep-sea chemosynthetic tubeworm”, Science Advances 2024 DOI:10.1126/sciadv.adn3053
論文鏈接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3053
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