Reduced chemosymbiont genome in the methane seep thyasirid and the cooperated metabolisms in the holobiont under anaerobic sediment  

甲烷滲漏區(qū)深海蛤（Thyasiridae）共生菌的基因組縮減及其在厭氧沉積物中與宿主的協(xié)同代謝  

來源：Molecular Ecology Resources, Volume 23, 2023, Pages 1853-1867

《分子生態(tài)學(xué)資源》第23卷，2023年，1853-1867頁

 

摘要內(nèi)容

 

研究首次報道了深海甲烷滲漏區(qū)Thyasiradae科蛤類（Thyasira sp. Haima）共生菌的完整環(huán)狀基因組（命名為Candidatus Ruthturnera sp. Tsphm01）。該共生菌基因組大小為1.53 Mb，編碼1521個基因，完整度100%。基因組分析表明：  

基因組縮減特征：相比自由生活近緣菌，缺失了趨化性、三羧酸循環(huán)（TCA）及小分子（氨基酸、輔因子）從頭合成通路，表明其為專性胞內(nèi)共生菌。  

 

化能自養(yǎng)能力：保留完整的硫氧化（SOX途徑）和無機(jī)碳固定（Calvin-Benson-Bassham循環(huán)）通路，且高表達(dá)。  

 

厭氧適應(yīng)機(jī)制：具備厭氧呼吸能力（DMSO和硝酸鹽還原），并擁有低氧適應(yīng)型細(xì)胞色素c氧化酶（cbb3型）。  

 

宿主轉(zhuǎn)錄組分析揭示了其對共生菌不完整代謝通路的互補(bǔ)機(jī)制（如酪氨酸和甲硫氨酸合成），并通過吞噬作用和外泌體獲取營養(yǎng)。  

 

研究目的

解析深海甲烷滲漏區(qū)Thyasiradae蛤類共生菌的基因組特征及代謝潛力。  

 

闡明宿主-共生菌在厭氧環(huán)境中的代謝互作機(jī)制。  

 

探究共生菌的進(jìn)化地位及其對極端環(huán)境的適應(yīng)性。  

 

研究思路

樣本采集與環(huán)境參數(shù)測量：  

 

在中國南海"海馬"冷泉區(qū)（1433米深）采集Thyasira sp.標(biāo)本（圖1），使用丹麥Unisense H?S和O?微電極測量沉積物氧化還原梯度（方法部分）。  

 

基因組與轉(zhuǎn)錄組測序：  

 

PacBio HiFi+Illumina雙平臺測序組裝共生菌完整環(huán)狀基因組（表1，圖2）。  

 

 

 

鰓組織宏轉(zhuǎn)錄組測序分析宿主和共生菌基因表達(dá)。  

系統(tǒng)發(fā)育與功能注釋：  

 

基于16S rRNA基因和772個直系同源蛋白構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹（圖3），確定共生菌分類地位。  

 

 

KEGG/GO/COG注釋代謝通路（圖2, 4, 5）。  

 

 

 

表達(dá)量分析：  

 

定義高表達(dá)基因（HEGs：共生菌TPM>300，宿主TPM>100），富集分析關(guān)鍵通路（圖4）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

沉積物O?/H?S梯度（方法部分）  

 

數(shù)據(jù)：O?濃度從沉積物表層的~100 μM降至數(shù)毫米內(nèi)不可檢測（<0.3 μM）；H?S濃度在3-5 cm深度達(dá)700-1400 μM。  

 

意義：證實樣本采集點為典型厭氧環(huán)境，為共生菌硫氧化代謝提供生態(tài)背景。  

共生菌基因組特征（表1，圖2）  

 

數(shù)據(jù)：基因組大小1.53 Mb，GC含量36.9%，編碼1521基因，含完整硫氧化（soxXYZAB, aprAB, dsrAB）和CBB循環(huán)基因（RuBisCO, prk等）。  

 

意義：揭示共生菌基因組縮減但保留核心自養(yǎng)能力，支持其專性共生生活方式。  

高表達(dá)基因（HEGs）（圖4, 5a）  

 

數(shù)據(jù)：  

 

硫氧化基因：soxB（TPM=5,640）、aprA（TPM=4,872）。  

 

碳固定基因：RuBisCO（TPM=9,014）、GAPDH（TPM=10,447）。  

 

厭氧呼吸基因：DMSO還原酶dmsAB（TPM=3,825-5,340）、硝酸鹽還原酶narG（TPM=1,622）。  

 

意義：證實共生菌在厭氧環(huán)境中依賴硫氧化產(chǎn)能，并通過替代電子受體（DMSO/硝酸鹽）維持呼吸。  

宿主-共生菌代謝互補(bǔ)（圖5）  

 

數(shù)據(jù)：  

 

共生菌缺失酪氨酸、甲硫氨酸合成通路，但宿主表達(dá)苯丙氨酸羥化酶（phhA）和半胱氨酸裂解酶。  

 

宿主高表達(dá)吞噬作用相關(guān)基因（鈣網(wǎng)蛋白calreticulin, TPM=1,653）和溶酶體酶（組織蛋白酶cathepsin, TPM=153-2,393）。  

 

意義：揭示宿主通過吞噬消化共生菌獲取營養(yǎng)（"耕作模式"），并通過外泌體（exosome）分配營養(yǎng)。  

 

結(jié)論

共生菌特性：Ca. Ruthturnera sp. Tsphm01為專性硫氧化共生菌，基因組縮減但保留完整無機(jī)碳固定和硫氧化通路，通過cbb3型細(xì)胞色素氧化酶和厭氧呼吸適應(yīng)低氧環(huán)境。  

 

宿主互作機(jī)制：宿主通過代謝途徑互補(bǔ)（提供酪氨酸/甲硫氨酸）和主動吞噬共生菌獲取營養(yǎng)，外泌體介導(dǎo)營養(yǎng)分配。  

 

進(jìn)化意義：共生菌系統(tǒng)發(fā)育接近Vesicomyidae蛤類共生菌（圖3），基因組低SNP密度支持垂直傳播假說，為雙殼類化學(xué)共生演化提供新模型。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中采用Unisense H?S和O?微電極系統(tǒng)（搭配微操縱器）測量沉積物微環(huán)境：  

原位環(huán)境參數(shù)定量：  

 

數(shù)據(jù)：O?濃度在沉積物表層（0-1 cm）從~100 μM驟降至<0.3 μM；H?S濃度在3-5 cm深度高達(dá)700-1400 μM（方法部分）。  

 

意義：直接證實采樣點為強(qiáng)還原性厭氧環(huán)境，為共生菌的硫氧化代謝和厭氧呼吸（如DMSO還原）提供必需的生態(tài)位條件，解釋其基因組中富集厭氧適應(yīng)基因（如dsrAB, dmsAB）的進(jìn)化驅(qū)動因素。  

共生菌代謝活動的間接證據(jù)：  

 

數(shù)據(jù)：極高H?S濃度（>700 μM）與低O?的共存。  

 

意義：表明共生菌需高效硫氧化途徑（SOX系統(tǒng)高表達(dá)）以利用H?S作為電子供體，同時依賴cbb3型細(xì)胞色素氧化酶（高氧親和力）在微氧界面生存。這種環(huán)境壓力解釋了基因組中缺失需氧TCA循環(huán)但保留CBB循環(huán)的邏輯。  

宿主生存策略關(guān)聯(lián)：  

 

數(shù)據(jù)：沉積物O?在毫米尺度內(nèi)耗盡。  

 

意義：與宿主鰓組織中高表達(dá)血紅蛋白基因（TPM=8,238）相呼應(yīng)，說明宿主通過血紅蛋白高效捕獲微量O?以維持共生菌功能，凸顯Unisense微電極數(shù)據(jù)對理解宿主-共生菌協(xié)同適應(yīng)機(jī)制的貢獻(xiàn)。  

 

核心價值：Unisense微電極實現(xiàn)了沉積物氧化還原梯度的毫米級分辨率原位測量，將宏觀生境特征與微觀基因組/轉(zhuǎn)錄組響應(yīng)直接關(guān)聯(lián)，為化能共生體系的"環(huán)境-基因功能-宿主互作"整合研究提供了關(guān)鍵實證支撐。