香港科大首次破译深海热液神盾螺共生体基因组揭秘地球极端环境生存策略

由香港科技大学海洋科学系系主任及讲座教授暨捷成David von Hansemann 理学教授钱培元领导的研究团队,于自然· 通讯期刊发表了有关海底热泉一种无脊椎动物—神盾螺共生体的维持和互作机制的最新研究成果。该研究发现神盾螺食道腺(消化系统)中同时存在硫氧化细菌和甲烷氧化细菌两种共生菌,并首次破译了两种共生菌及宿主神盾螺的基因组,揭示了共生体利用化学能量生产营养物质的过程以及适应极端环境的分子机制,为地球生命的起源提供了新的启示。

香港科大首次破译深海热液神盾螺共生体基因组揭秘地球极端环境的生存策略

深海热液区具有极高静水压且黑暗无光,热液喷口所喷出经地热加热过的水,高达几百摄氏度,其中还包含很多有毒的重金属元素和化学物质,是一个典型、独特且极端的生态环境。热液喷口的形成与海底岩浆的活动有关。一直以来,关于地球生命的起源有多种假说,其中主流的一种假说是生命的起源来源于深海热液区。深海热液区与地球上绝大部分依靠植物光合作用的生态系统不同,化能合成细菌是这个生态系统的初级生产者,通过利用化学物质的化学能量转换成有机物,从而孕育了海底热液生态系统丰富且独特的生物和基因资源。然而,这些生物如何适应深海热液这个极端环境一直是未解之谜。

2019年4月和5月,钱培元教授团队在西南印度洋龙旂热液区利用无人潜航器进行了深潜作业,对由中国首次发现并命名的龙旂热液区进行科学考察,下潜深度约2800米。在龙旂热液区,生活着一种群体庞大的物种神盾螺,因其足部有一片类似盾牌的壳片而得名。该团队发现,在神盾螺食道腺细胞内存在两种形态不同的内共生细菌,分别为硫氧化细菌和甲烷氧化细菌。

为了研究神盾螺宿主、硫氧化细菌和甲烷氧化细菌三者的共生机制,该团队利用多组学手段,包括基因组学,转录组学和蛋白组学,解析了神盾螺共生体的功能代谢图谱。硫氧化细菌可以氧化硫化氢,硫酸盐,亚硫酸盐,硫代硫酸盐等硫化物,而甲烷氧化细菌则可以氧化甲烷等化学物。这两种细菌可以利用多种物质的化学能量合成氨基酸和维生素等营养物质,提供给宿主神盾螺。神盾螺进化出更多的模式识别受体,并且在食道腺特异表达,这些识别受体可以识别并结合共生细菌表面的肽聚糖相关蛋白和外膜蛋白,帮助神盾螺识别并维持两种不同的内共生细菌。神盾螺,硫氧化细菌和甲烷氧化细菌在营养代谢上功能互补,建立了互利的共生关系,从而使神盾螺在热液区生态系统中成为优势种群。这个研究结果不仅有助于我们了解生物是如何在这类极端环境中生存,也为动物与微生物之间的分工和合作带来重要启示。 

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