海洋所在熱液共生管蟲(chóng)適應(yīng)深海特殊環(huán)境機(jī)制研究中獲新進(jìn)展
Vestimentifera管蟲(chóng)常見(jiàn)于深海熱液,屬于環(huán)節(jié)動(dòng)物門(mén)下的西伯達(dá)科。在發(fā)育過(guò)程中,它們的腸道會(huì)退化為與微生物共生的營(yíng)養(yǎng)體。管蟲(chóng)為共生菌的生長(zhǎng)提供了場(chǎng)所及能量,共生菌為管蟲(chóng)提供了營(yíng)養(yǎng)。針對(duì)巨大管蟲(chóng)的研究中發(fā)現(xiàn),這些管蟲(chóng)一年可以生長(zhǎng)85厘米,表明管蟲(chóng)與共生菌的營(yíng)養(yǎng)互作非常高效。這些共生菌為管蟲(chóng)提供了何種營(yíng)養(yǎng)?管蟲(chóng)與共生菌中有什么特殊代謝途徑使其能夠在深海極端環(huán)境下生存并高速生長(zhǎng)?一直是深海管蟲(chóng)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。海洋所研究團(tuán)隊(duì)在馬努斯熱液和沖繩海槽熱液區(qū)采集了兩種Vestimentifera管蟲(chóng)(Arcovestia ivanovi和Lamellibrachia columna),系統(tǒng)分析了這兩種管蟲(chóng)的共生菌多樣性及代謝特征,發(fā)現(xiàn)伽馬變形菌在這兩種管蟲(chóng)中均占主導(dǎo)地位。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),這種菌在生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)變大并逐漸被糖原顆粒充滿,最后裂解釋放糖原為管蟲(chóng)提供重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),這可能是管蟲(chóng)快速生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。除此之外,團(tuán)隊(duì)在管蟲(chóng)體內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了高豐度的維生素B2,由于管蟲(chóng)不能合成此類(lèi)維生素,因此細(xì)菌合成的維生素可能在管蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程發(fā)揮重要作用。

馬努斯熱液區(qū)中發(fā)現(xiàn)的成簇管蟲(chóng)群落

管蟲(chóng)共生菌內(nèi)部充滿糖原顆粒
研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)序組裝了Arcovestia ivanovi管蟲(chóng)的基因組,從分子水平探索了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在管蟲(chóng)體內(nèi)的代謝路徑。通過(guò)多組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了Vestimentifera管蟲(chóng)中存在著其它環(huán)節(jié)動(dòng)物中沒(méi)有的海藻糖合成通路,但是缺乏其它環(huán)節(jié)動(dòng)物廣泛存在的糖異生通路。這表明在關(guān)鍵碳代謝通路上,深海管蟲(chóng)與其它環(huán)節(jié)動(dòng)物存在很大不同。這些結(jié)果暗示海藻糖可能是深海Vestimentifera管蟲(chóng)的重要血糖。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究了管蟲(chóng)海藻糖合成酶(TPSP)的來(lái)源,發(fā)現(xiàn)管蟲(chóng)的TPSP與節(jié)肢動(dòng)物的最相似,通過(guò)一系列證據(jù)表明管蟲(chóng)中的TPSP可能來(lái)自跨門(mén)的水平基因轉(zhuǎn)移事件。海藻糖是一種重要的抗逆分子,有助于生物抵抗高溫及硫化氫等極端環(huán)境,海藻糖合成相關(guān)基因的獲得很可能對(duì)于深海Vestimentifera管蟲(chóng)適應(yīng)深海熱液環(huán)境具有重要意義。目前報(bào)道的水平基因轉(zhuǎn)移絕大多數(shù)源于原核生物,該發(fā)現(xiàn)也為真核生物之間存在水平基因轉(zhuǎn)移提供了證據(jù)。

深海Vestimentifera管蟲(chóng)存在獨(dú)特的糖代謝途徑
本項(xiàng)研究為理解管蟲(chóng)深海極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制提供了新的視角。相關(guān)成果發(fā)表于在微生物領(lǐng)域期刊Microbiome(中國(guó)科學(xué)院一區(qū)TOP,5-Year IF = 17.9)。孫慶磊副研究員和原子皓副研究員為本文的共同第一作者,原子皓副研究員和孫黎研究員為共同通訊作者。以上研究獲得了嶗山實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及山東省海外優(yōu)青基金的資助。
論文信息:
Sun Q,Yuan Z,Sun Y,Sun L. Integrated multi-approaches reveal unique metabolic mechanisms of Vestimentifera to adapt to deep sea. Microbiome. 2024;12(1):241.doi: 10.1186/s40168-024-01960-4.
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