想象一下，在伸手不見五指、冷得刺骨、壓力極大、食物又極其稀少的深海里，美麗的深海珊瑚是如何生存，并構(gòu)建起一片生機(jī)勃勃的海底“秘密花園”的？接觸不到陽(yáng)光，它們的能量從何而來？

11月20日，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所、香港科技大學(xué)、華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合，在深海珊瑚與共生菌共演化機(jī)制研究中取得重要突破，揭示了深海珊瑚令人驚嘆的生存智慧。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞宿主與微生物》（

Cell Host & Microbe

截圖自 Cell Host & Microbe 官網(wǎng)

研究發(fā)現(xiàn)一種偽交替深海黑珊瑚，其體內(nèi)有一套高效、穩(wěn)定、功能互補(bǔ)的“共生系統(tǒng)”，以適應(yīng)深海寡營(yíng)養(yǎng)、低溫、高壓的環(huán)境。研究團(tuán)隊(duì)從宿主與共生菌兩個(gè)層面系統(tǒng)揭示了其營(yíng)養(yǎng)互補(bǔ)和免疫穩(wěn)態(tài)協(xié)同維持機(jī)制，為解析極端環(huán)境下偽交替深海黑珊瑚的適應(yīng)性策略與生態(tài)系統(tǒng)維持機(jī)制提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

偽交替深海黑珊瑚

研究概覽

深海生存之謎

我們都知道，淺海珊瑚色彩斑斕，生機(jī)勃勃，靠的是它們體內(nèi)的蟲黃藻。蟲黃藻通過光合作用，為淺海珊瑚提供能量。但深海一片漆黑，沒有陽(yáng)光，這里的珊瑚怎么辦？

過去，科學(xué)家猜測(cè)它們可能靠撿上層海水飄下來的“海雪”（海洋生物碎屑）為生。但在食物極其稀少的深海，光靠這點(diǎn)“殘羹剩飯”真的夠嗎？科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了深海珊瑚的體內(nèi)，懷疑真正的秘密武器可能藏在那些看不見的微生物里。

通過之前的研究，科學(xué)家們知道了“誰”住在深海珊瑚里面，卻不清楚它們和深海珊瑚之間到底是如何分工合作的。為了解開這個(gè)謎團(tuán)，研究團(tuán)隊(duì)以偽交替深海黑珊瑚為模型，對(duì)深海珊瑚進(jìn)行了“地毯式”的基因解碼，構(gòu)建了宿主基因組、共生菌組成與多樣性、優(yōu)勢(shì)共生菌基因組、空間定位、轉(zhuǎn)錄活性的全鏈條分析體系，最終揭示了這個(gè)共生體系的精妙運(yùn)作模式。

深海珊瑚和它的“神仙隊(duì)友”

研究團(tuán)隊(duì)成功組裝獲得了高質(zhì)量偽交替深海黑珊瑚基因組，發(fā)現(xiàn)其與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、免疫與炎癥反應(yīng)、溶酶體功能等相關(guān)的基因家族發(fā)生顯著擴(kuò)張，體現(xiàn)了以強(qiáng)化物質(zhì)輸入與內(nèi)吞消化為核心的系統(tǒng)性適應(yīng)機(jī)制。此外，偽交替深海黑珊瑚缺乏多種氨基酸與部分維生素的完整合成途徑，從遺傳基礎(chǔ)上為宿主依賴共生菌實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)互補(bǔ)的跨域協(xié)同機(jī)制提供了分子依據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)來自南海與西太平洋跨不同水深與地理區(qū)域的14個(gè)樣本進(jìn)行共生菌組成與多樣性分析，證實(shí)了偽交替深海黑珊瑚維系了一個(gè)獨(dú)立于周邊環(huán)境的獨(dú)特共生菌群，而這個(gè)共生菌群組成保持簡(jiǎn)化且穩(wěn)定的特征。這種高度簡(jiǎn)化的共生模式，支持了營(yíng)養(yǎng)需求驅(qū)動(dòng)下偽交替深海黑珊瑚對(duì)共生菌進(jìn)行非隨機(jī)選擇的假說。

結(jié)合原位雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（HCR），研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)共生菌在偽交替深海黑珊瑚水螅體中廣泛分布，顯著富集于中膠層。中膠層具有良好的通透性，且富含類吞噬的變形細(xì)胞，不僅有利于小分子物質(zhì)的雙向擴(kuò)散與循環(huán)，也為共生菌提供了相對(duì)安全的微環(huán)境，使得物質(zhì)循環(huán)、免疫規(guī)避、穩(wěn)態(tài)維持能夠在同一組織空間中協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

偽交替深海黑珊瑚體內(nèi)共生菌群落結(jié)構(gòu)與空間分布

研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)偽交替深海黑珊瑚體內(nèi)4種核心的共生菌進(jìn)行了測(cè)序分析，重建了其高質(zhì)量基因組草圖。原來，珊瑚體內(nèi)這群“神仙隊(duì)友”雖然成員不多，但個(gè)個(gè)是精英，且分工明確：

· 首席營(yíng)養(yǎng)師：氨氧化古菌

這是團(tuán)隊(duì)的絕對(duì)核心！能夠氧化宿主代謝產(chǎn)生的氨，驅(qū)動(dòng)有機(jī)碳與多種氨基酸、維生素的合成，最終將它們供給宿主，從而實(shí)現(xiàn)解毒與營(yíng)養(yǎng)供給的雙重功能。

· 金牌保健師：一種未被報(bào)道過的共生菌群

這位新朋友名叫

Ca. Bathybacter bathypathes

· 兩位保鏢：兩種柔膜菌

深海里病毒無處不在，怎么辦？偽交替深海黑珊瑚體內(nèi)有兩種柔膜菌（

Ca

. Bathyplasma bathypathes

Ca. Thalassoplasma bathypathes

相處模式揭秘

那么問題來了，這么多細(xì)菌住在體內(nèi)，它們是怎么和諧共生的呢？偽交替深海黑珊瑚的免疫系統(tǒng)為什么不把它們當(dāng)作入侵者消滅掉呢？

為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了宿主調(diào)控共生菌穩(wěn)態(tài)的分子模型：宿主內(nèi)/外胚層細(xì)胞可能通過TLR13等模式識(shí)別受體識(shí)別共生菌相關(guān)分子模式，經(jīng)由MyD88接頭蛋白激活信號(hào)通路，誘導(dǎo)TNF-α等因子表達(dá)，進(jìn)而招募中膠層變形細(xì)胞對(duì)共生菌進(jìn)行可控的吞噬與溶酶體消化，實(shí)現(xiàn)適度清除、資源回收、數(shù)量調(diào)控的免疫穩(wěn)態(tài)平衡。此外，C型凝集素、清道夫受體等其他模式識(shí)別受體也參與該過程的精細(xì)調(diào)控。

簡(jiǎn)單來說，就是偽交替深海黑珊瑚通過模式識(shí)別受體時(shí)刻監(jiān)控著這群細(xì)菌的數(shù)量和狀態(tài)。當(dāng)細(xì)菌數(shù)量過多時(shí)，免疫系統(tǒng)會(huì)派出變形細(xì)胞進(jìn)行適度的清理，把多余的細(xì)菌吞噬掉，甚至將其回收利用作為營(yíng)養(yǎng)。這個(gè)模型系統(tǒng)闡釋了為何簡(jiǎn)化且穩(wěn)定的共生菌群能夠在宿主體內(nèi)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定共存。

本研究系統(tǒng)揭示了偽交替深海黑珊瑚簡(jiǎn)化穩(wěn)定、高效率、功能互補(bǔ)的共生新策略，闡明了營(yíng)養(yǎng)供給、氨解毒、抗氧化、病毒防御、免疫穩(wěn)態(tài)多重功能耦合的分子邏輯，為理解深海生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、評(píng)估生物對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)潛力及生態(tài)系統(tǒng)韌性提供了理論框架，將助力深海生物多樣性評(píng)估和深海生物功能基因資源的挖掘。

中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所位戰(zhàn)飛、香港科技大學(xué)蘭奕、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)孟麗慧為論文共同第一作者。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所邵長(zhǎng)偉研究員、香港科技大學(xué)錢培元教授、華大生命科學(xué)研究院孟亮研究員和劉姍姍研究員為論文共同通訊作者。本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）項(xiàng)目、香港特別行政區(qū)政府基金、香港科技大學(xué)潘樂陶氣候恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展中心項(xiàng)目、山東省海洋科學(xué)技術(shù)基金（青島）國(guó)家海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)室試點(diǎn)項(xiàng)目、海南省重大科技項(xiàng)目、嶗山國(guó)家海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)室“鰲山人才”培養(yǎng)計(jì)劃，以及中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。本研究還得到了深圳市海洋生物基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和海南省海洋生物資源利用技術(shù)創(chuàng)新中心支持。

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