近日，中国科学院海洋研究所李超伦团队联合香港科技大学研究团队在《科学进展》期刊（Science advances）发表最新研究成果，揭示了深海化能共生西伯达管虫的宿主-共生菌互作新机制。

西伯达科管虫是热液、冷泉等深海化能生态系统独特物种，其消化系统完全退化，但在其体内的特殊共生组织——营养体内，管虫与伽马变形硫氧化菌建立细胞内共生关系：宿主管虫将硫化氢、氧气和二氧化碳等气体运输到营养体内供给共生菌，而共生菌则利用还原性气体的化学能固定生物质滋养宿主。这种简单的共生关系适应力强且十分高效，西伯达管虫通常能够快速生长并迅速成为化能生态系统中的优势物种之一。例如，著名的巨管虫（Riftia pachyptila）每年可生长超过85厘米，是已知生长速度最快的动物之一。这种非凡的生产力表明西伯达管虫共生体系高效的代谢过程，可能由宿主-共生菌双方共同进化的适应性机制驱动，但宿主-共生菌之间的互作及调控机制仍有待阐明。

为了深入研究西伯达管虫宿主-共生菌互作及调控机制，中国科学院海洋研究所与香港科技大学的联合研究团队采用了深海原位单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，研究了冷泉西伯达管虫Paraescarpia echinospica的营养体组织。

研究团队开发了适用于深海的单细胞原位固定液及动物样品固定系统，协同“发现”号远程线控潜水器（ROV）团队，在南海冷泉成功采集冷泉西伯达管虫P. echinospica生物样品，并随后利用FACS及单细胞测序技术，构建了P. echinospica营养体的单细胞图谱。

海洋所“发现”号ROV利用深海动物原位固定装置采集西伯达管虫Paraescarpia echinospica样品

scRNA-seq分析揭示了管虫营养体内部精细的细胞分工与功能协同。研究发现，营养体内的不同细胞类型，包括外层被膜、血管内皮细胞和含菌细胞等，分别表达与化能合成气体运输、代谢物转运等功能相关的基因。这些细胞的协同作用在营养体小球中形成了由外向内的生化梯度，促进了化能合成底物从营养体外围向中心的传递。研究人员发现营养体内的含菌细胞（共生细胞）可以分为有氧和无氧两大类，分别分布在营养体小球的外圈和中央。这种空间分布格局表明，管虫在营养体内部建立了泾渭分明的有氧和无氧微环境。

有趣的是，对共生菌关键代谢途径的综合分析表明，共生菌的形态和代谢状态与其在宿主营养体小球内位置存在空间相关性。居住在富氧外围的含菌细胞中的共生菌形态较大（直径可达5-8微米），并进行自养碳固定生成有机质滋养宿主。相反，居住在缺氧中心的共生菌形态小(直径1-3微米）参与厌氧反硝化，帮助宿主氨废物。营养小球内的这种空间组织使养分生产和废物解毒同时高效进行。

利用深海原位单细胞技术解析西伯达管虫Paraescarpia echinospica宿主-共生菌协同互作的分子机制

本研究揭示了深海动物共生和环境适应的新机制，并为动物宿主-共生微生物之间的共生相互作用带来了新的见解。同时，本研究的工作流程为从单细胞水平解析深海动物的共生及环境适应分子机制提供了一种潜在的新范式。这种方法可能为非模式生物，特别是海洋动物的研究提供便利。李超伦研究员及香港科技大学吴若昊副教授、钱培元教授为论文共同通讯作者，海洋所王昊副研究员及香港科技大学肖红秀博士为论文共同第一作者。研究得到了鳌山科技创新项目、国家自然科学基金重点基金、广东省基础与应用基础研究重大项目课题、南方海洋科学与工程广东省实验室、香港特别行政区政府及Chau Hoi Shuen Foundation等机构和项目的联合资助。

相关论文：

Hao Wang, Hongxiu Xiao, Buhan Feng, Yi Lan, Cheuk Wang Fung,  Huan Zhang,  Guoyong Yan, Chao Lian, Zhaoshan Zhong,  Jing Li, Minxiao Wang, Angela Ruohao Wu, Chaolun Li, Pei-Yuan Qian.  “Single-cell RNA-seq revealed distinct metabolic “micro-niches” and close host-symbiont interactions in deep-sea chemosynthetic tubeworm”, Science Advances 2024 DOI:10.1126/sciadv.adn3053

论文链接: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3053