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Microbiome

花匠小妙招
2024-11-11 07:05

平端深海偏顶蛤共生菌在不同环境选择下的镶嵌式进化模式

Mosaic environment-driven evolution of the deep-sea mussel Gigantidas platifrons bacterial endosymbiont

Article，2023-11-16，Microbiome，[IF 15.5]

DOI：10.1186/s40168-023-01695-8

原文链接：

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-023-01695-8

第一作者：Yan Sun（孙妍）；Minxiao Wang（王敏晓）

通讯作者：Chaolun Li（李超伦）；Song Sun（孙松）

合作作者：Lei Cao（曹磊）；Inge Seim；Li Zhou（周丽）；Jianwei Chen（陈建威）；Hao Wang（王昊）；Zhaoshan Zhong（钟兆山）；Hao Chen（陈浩）；Lulu Fu（付璐璐）；Mengna Li（李梦娜）

主要单位：

中国科学院海洋研究所（CAS Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, and Center of Deep Sea Research, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao, 266071, China）

- 引言 -

深海冷泉和热液生态系统中，许多无脊椎动物通过与化能合成细菌建立专一性共生关系，以获取物质和能量。平端深海偏顶蛤（Gigantidas platifrons）是西北太平洋化能生态系统中的代表性优势物种。它们鳃丝上皮细胞中存在着专一性的甲烷氧化共生菌。这些甲烷氧化共生菌不仅是深海偏顶蛤的重要营养来源，还在宿主的极端环境适应中扮演重要角色，帮助它们成功适应冷泉和热液迥异的生活环境。由于热液和冷泉的重金属浓度、硫化氢含量、pH等环境因素存在差异，这种异质性的栖息地环境为我们研究深海共生细菌遗传多样性及功能共生体环境适应性机制提供了理想模型。然而，目前常规的宏基因组拼接方法无法解析高度相似的菌株，因而对热液和冷泉共生菌的菌株特征无法进行有效区分，阻碍我们对其不同环境适应机制的认知。

图1：深海偏顶蛤Gigantidas platifrons冷泉、热液不同栖息地环境

- 结果 -

本研究对采集自西北太平洋冷泉和热液区的深海偏顶蛤共生器官鳃丝开展宏基因组测序（图1）。为获得菌株水平的高质量基因组，本研究充分利用PacBio Hifi测序的长片段和高准确度的特性，开发了具备菌株解析能力的宏基因组分析流程，成功解析了平端深海偏顶蛤复杂的菌株多样性。宏基因组拼接共获得28个菌株基因组，分为三个与环境相关的分枝，包括2个热液型分枝和1个冷泉型分枝（图2）。结合二代测序数据，本研究还评估了菌株在不同栖息地深海偏顶蛤鳃丝中的分布，结果揭示了冷泉和热液共生菌菌株水平的遗传分化（图2）。

图2：冷泉、热液深海偏顶蛤甲烷氧化菌菌株水平的遗传分化

基于高质量的基因组组装，本研究开展了菌株水平的比较基因组分析（图3）。分别鉴定了三个分支的核心基因（共有基因）和分枝特异性基因。基因选择压力分析表明核心基因相对保守，而分枝特异性基因的进化速度更快。基因功能的比较发现，核心基因富集中心代谢、氨基酸和辅酶合成等相关功能，与营养物质的合成和共生关系的维持密切相关，分枝特异性基因则包括环境适应性相关的基因，编码重金属抗性、pH稳态维持和硝酸盐利用等功能。此外，分枝特异性基因富集转座元件。转座元件通过调控基因去功能化或携带货物基因的方式参与介导基因组功能异质化（图3）。本研究还对共生菌质粒进行了组装和功能分析，发现质粒编码了参与硫化物氧化、重金属抗性等功能的关键基因。质粒作为染色体外的可移动遗传元件，通过水平基因转移，在共生菌适应性进化中发挥了重要作用。

图3：转座元件参与介导的甲烷氧化共生菌基因组功能分化

- 总结 -

本研究对深海偏顶蛤共生细菌进行了菌株水平的基因组组装，解析了其在异质性环境下的遗传分化。通过菌株水平的比较基因组分析，揭示了共生菌在不同环境选择下的镶嵌式进化模式（图4）。编码中心代谢及共生互作相关功能的核心基因相对保守，而与环境适应性相关基因则快速进化。此外，本研究还强调了可移动遗传元件（转座元件和质粒）在水平传递共生菌基因组适应性进化中的关键作用。它们通过在基因组内或基因组间的“移动”，推动了遗传创新和基因组进化。本研究揭示的深海共生菌在环境驱动下由可移动遗传元件介导的适应性进化模式，进一步丰富了我们对深海共生细菌多样性及深海功能共生体环境适应性的认识。

图4：深海偏顶蛤共生菌基因组镶嵌式环境适应性进化模式图

- 作者简介 -

第一作者

中国科学院海洋研究所

孙妍

副研究员

主要从事海洋生物分子生态学相关研究。在深海生态系统研究中，聚焦于深海生物的适应性进化，利用基因组、宏基因组、宏转录组等多组学手段，研究深海偏顶蛤极端环境适应性遗传机制，揭示了共附生菌在深海偏顶蛤适应高硫化物、高重金属等深海特殊环境中发挥的关键作用及其进化机制。目前以第一作者或共同第一作者在Nature Ecology & Evolution，Microbiome，Science of the Total Environment，Molecular Ecology Resources，Molecular Ecology等期刊发表SCI文章10篇。

中国科学院海洋研究所

深海研究中心

王敏晓

研究员

主要研究方向是深海化能生态系统生物多样性及适应性。多次担任航次首席、队长开展热液、冷泉等化能生态系统调查，聚焦深海无脊椎动物的共生体系，打造深海原位实验体系，揭示深海生物极端环境适应机制、共生互作过程。建立了以深海偏顶蛤为代表的深海共生研究模型，通过深海原位实验等揭示了深海共生互作机制，发现深海生物群落在碳循环中具有重要生态作用。在Microbiome、Molecular Ecology、Science of the Total Environment、BMC Biology、mSystems等期刊发表学术论文60余篇，授权发明专利5项。

通讯作者

中国科学院

南海海洋研究所

李超伦

所长，研究员

主要从事我国近海、极地和深海海洋生态学研究工作，先后主持国家973项目课题、重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、中科院战略性科技先导专项项目等科研项目课题20余项；在海洋浮游动物种群动力学、水母灾害发生机理与生态安全、极地海洋生态学以及深海生态系统探测等方面取得了多项成果；发表学术论文160余篇，参编专著5部，获专利10余项。国家高层次人才特殊支持计划领军人才入选者和国家创新人才推进计划重点领域创新团队负责人；先后获中国科学院杰出科技成就奖（集体）、国家海洋工程科技奖特等奖、山东省自然科学二等奖、海洋科技技术一等奖等。

中国科学院海洋研究所

孙松

研究员

长期从事海洋生态学和生物海洋学研究，曾三次赴南极进行科学考察，在南极磷虾资源、近海生态系统演变和生态系统灾害研究、深海探测与研究领域取得了多项创新性和突破性成果；率领团队完成了我国第一个海洋领域大科学工程项目“科学”号综合考察船建造、深海探测与研究平台的配置和研发，对深海极端环境与生命过程开展综合探测与研究。先后承担国家、院、省部委等科研项目几十项。发表论文280余篇，第一作者和通讯作者文章140余篇；出版《生物海洋学》等专著7部，获得“中国科学院杰出科技成就奖”和“海洋工程科学与技术奖”特等奖等奖励4项（均排名第1）。

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