海洋所在深海偏顶蛤甲烷氧化共生菌环境适应性进化研究获新进展

  近日,中国科学院海洋研究所在深海偏顶蛤甲烷氧化内共生菌种内多样性及环境适应性进化机制研究取得新进展,相关成果以题为“Mosaic environment-driven evolution of the deep-sea mussel Gigantidas platifrons bacterial endosymbiont” 的研究论文在国际微生物学期刊《Microbiome》发表。孙妍副研究员和王敏晓研究员为论文共同第一作者,李超伦研究员和孙松研究员为共同通讯作者。 

  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。 

  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。不同栖息地深海偏顶蛤具有不同的共生菌菌株组成。菌株水平的比较基因组分析揭示了共生菌环境选择下的镶嵌式进化模式:编码中心代谢及共生互作相关功能的核心基因,如甲烷氧化、氨基酸和辅酶合成基因,在不同的分枝中是相对保守的;而分枝特异性基因是快速进化的,其中包括环境适应性相关基因,编码重金属抗性、pH稳态维持和硝酸盐利用等重要功能。此外,菌株水平的基因组组装还揭示了可移动遗传元件(转座元件和质粒)在共生菌环境适应性进化中发挥的重要作用。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。 

  本研究通过对深海偏顶蛤共生细菌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,发现了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,提出了环境驱动下由可移动遗传元件介导的共生菌适应性进化模型。研究结果丰富了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。 

  该研究得到崂山实验室“十四五重大项目、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、泰山学者攀登计划等项目联合资助。 

  论文信息:Yan Sun#, Minxiao Wang#, Lei Cao, Inge Seim, Li Zhou, Jianwei Chen, Hao Wang, Zhaoshan Zhong, Hao Chen, Lulu Fu, Mengna Li, Chaolun Li* & Song Sun*. Mosaic environment-driven evolution of the deep-sea mussel Gigantidas platifrons bacterial endosymbiont. Microbiome 11, 253 (2023). https://doi.org/10.1186/s40168-023-01695-8 

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

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

图2 深海偏顶蛤共生菌基因组镶嵌式环境适应性进化模式图

 

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