Vestimentifera管蟲常見于深海熱液,屬于環(huán)節(jié)動物門下的西伯達(dá)科。在發(fā)育過程中,它們的腸道會退化為與微生物共生的營養(yǎng)體。管蟲為共生菌的生長提供了場所及能量,共生菌為管蟲提供了營養(yǎng)。針對巨大管蟲的研究中發(fā)現(xiàn),這些管蟲一年可以生長85厘米,表明管蟲與共生菌的營養(yǎng)互作非常高效。這些共生菌為管蟲提供了何種營養(yǎng)?管蟲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?一直是深海管蟲研究的熱點問題。中國科學(xué)院海洋研究所研究團隊利用“科學(xué)”號科考船在馬努斯熱液和沖繩海槽熱液區(qū)采集了兩種Vestimentifera管蟲(Arcovestia ivanovi和Lamellibrachia columna),系統(tǒng)分析了這兩種管蟲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中均占主導(dǎo)地位。進一步發(fā)現(xiàn),這種菌在生長的過程中會變大并逐漸被糖原顆粒充滿,最后裂解釋放糖原為管蟲提供重要營養(yǎng)物質(zhì),這可能是管蟲快速生長的物質(zhì)基礎(chǔ)。除此之外,團隊在管蟲體內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了高豐度的維生素B2,由于管蟲不能合成此類維生素,因此細(xì)菌合成的維生素可能在管蟲發(fā)育過程發(fā)揮重要作用。

馬努斯熱液區(qū)中發(fā)現(xiàn)的成簇管蟲群落

管蟲共生菌內(nèi)部充滿糖原顆粒
研究團隊還測序組裝了Arcovestia ivanovi管蟲的基因組,從分子水平探索了營養(yǎng)物質(zhì)在管蟲體內(nèi)的代謝路徑。通過多組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)并證實了Vestimentifera管蟲中存在著其它環(huán)節(jié)動物中沒有的海藻糖合成通路,但是缺乏其它環(huán)節(jié)動物廣泛存在的糖異生通路。這表明在關(guān)鍵碳代謝通路上,深海管蟲與其它環(huán)節(jié)動物存在很大不同。這些結(jié)果暗示海藻糖可能是深海Vestimentifera管蟲的重要血糖。團隊進一步探究了管蟲海藻糖合成酶(TPSP)的來源,發(fā)現(xiàn)管蟲的TPSP與節(jié)肢動物的最相似,通過一系列證據(jù)表明管蟲中的TPSP可能來自跨門的水平基因轉(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于深海Vestimentifera管蟲適應(yīng)深海熱液環(huán)境具有重要意義。目前報道的水平基因轉(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管蟲存在獨特的糖代謝途徑
本項研究為理解管蟲深海極端環(huán)境適應(yīng)機制提供了新的視角。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驗室、國家自然科學(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.
(本文來源于中國科學(xué)院海洋研究所,“科學(xué)”號信息員封婧提供)