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破解俗称“白瓜贝”的深海蚬以及存活于其鳃中的化能自养细菌的基因组

图中展示白瓜贝将足伸入沉积物以获取硫化氢。由于血液中含有血红蛋白用作输送气体,白瓜贝的足与外套膜均呈红色,这是一种应对低氧环境的适应方式。(浸大学生 胡俊彤 绘

图中展示白瓜贝将足伸入沉积物以获取硫化氢。由于血液中含有血红蛋白用作输送气体,白瓜贝的足与外套膜均呈红色,这是一种应对低氧环境的适应方式。(浸大学生 胡俊彤 绘)

(神秘的地球uux.cn报道)据EurekAlert!:由香港浸会大学(浸大)领导的一项研究,破解了俗称「白瓜贝」的深海蚬(Archivesica marissinica),以及存活于其鳃中的化能自养细菌(Candidatus Vesicomyosocius marissinica)的基因组。通过分析他们的基因组及基因表达模式,研究团队揭开了两者的共生关系,以及如何让白瓜贝在深海的极端环境中生存的分子机制。

有关研究结果已发表于国际学术期刊《分子生物与进化》。

由于缺乏光合作用衍生的有机物,深海一度被认为是生命荒漠,只有极少量生物栖息。然而,白瓜贝经常大量出现于全球深海的海底热泉和冷泉区。在这些深海环境中,阳光无法穿透,而硫化氢等有毒物质则从海床释放。白瓜贝的肠道和消化系统已经退化,依赖鳃表皮细胞内的共生细菌通过「化能合成」的方式获取能量与营养物质。但这种共生关系从何时建立起来,以及白瓜贝与其共生细菌之间如何进行营养互补仍然不详。

首次发现蚬与细菌间的「水平基因转移」

由浸大生物系副系主任兼教授邱建文教授带领的研究团队,从南中国海一处1,360米深的冷泉区采集了白瓜贝样本,然后对它及其共生细菌的基因组进行测序,探究两者成功建立共生关系背后的基因组特征。

团队发现早在1.28亿年前的恐龙年代,白瓜贝的祖先已经从它们的浅水近亲分化出来。是次研究显示白瓜贝基因组中含有28个基因是从化能自养细菌的祖先转移而来。这是首次发现有基因通过「水平基因转移」从细菌转移至双壳软体动物。 「水平基因转移」是把遗传物质在没有遗传关系的物种之间传递的过程。

研究还发现白瓜贝有着以下的特征,有利它们很好地适应极端的深海环境:

(一)化能合成作用

白瓜贝依赖「化学自营细菌」来制造生存所需养分。它们从海底沉积物吸收硫化氢,以及从海水吸收氧气及二氧化碳,再转移至鳃细胞内的共生细菌,通过细菌的化能合成作用产生所需的能量及营养物质。有关过程可参考图1。

研究团队发现白瓜贝体内与呼吸作用和物质扩散等细胞代谢过程相关的基因家族有所扩张。这些过程包括产生能量和碳合成过程所需的气体输送、共生体内的微细分子和蛋白质传送,以及内共生细菌数量的调控,有利宿主从共生细菌获取足够营养。

(二)不再以浮游植物为食物

浮游植物是海洋食物链的主要基层食物来源,纤维素酶则是一种能分解浮游植物纤维素的蛋白酶。团队发现白瓜贝缺少纤维素酶基因,这可能是白瓜贝的祖先为适应由原本以浮游植物作为食物来源,变为依靠细菌供给养份所作出的演化。

(三)硫代谢途径的适应

这种互惠共生关系的奥秘,亦隐藏于共生细菌的基因组。研究团队发现白瓜贝鳃内的共生细菌发生了明显的基因组收缩,仅相等于自由生活的近亲物种基因组大小的约百分之四十。然而,其共生细菌的基因组却保留了完整和活跃的硫代谢途径,以及合成20种常见氨基酸和其他重要营养素的能力。这些结果显示出共生细菌所产生的能量和提供的养份,对于维持这种共生关系的重要性。

(四)携氧能力的提升

血红蛋白是一种在许多生物的血液和组织中均会发现的金属蛋白。有别于脊椎动物,软体动物通常不依靠血红蛋白来携带氧气。不过,研究团队却在白瓜贝体内发现几种高度表达的血红蛋白基因,意味着白瓜贝有更高的携氧能力,以提升在深海低氧环境中生存的能力。 。

邱教授说:「过去有关深海共生关系的研究,大多数仅集中在细菌上。这是首次同时对栖息于深海的蚬及其共生细菌的基因组进行系统研究。该研究旨在探索共生关系的多样性以及深海共生体系的进化机制,从而了解无脊椎生物在深海极端环境生存的遗传机制。」

这项研究由浸大和浸大深圳研究院的科学家,联同香港科技大学南方海洋科学与工程广东实验室(广州)香港分部、香港城市大学、日本国立研究开发法人海洋研究开发机构、中国科学院深海科学与工程研究所,以及广州海洋地质调查局共同进行。




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