Reduced chemosymbiont genome in the methane seep thyasirid and the cooperated metabolisms in the holobiont under anaerobic sediment  

甲烷滲漏區深海蛤（Thyasiridae）共生菌的基因組縮減及其在厭氧沉積物中與宿主的協同代謝  

來源：Molecular Ecology Resources, Volume 23, 2023, Pages 1853-1867

《分子生態學資源》第23卷，2023年，1853-1867頁

 

摘要內容

 

研究首次報道了深海甲烷滲漏區Thyasiradae科蛤類（Thyasira sp. Haima）共生菌的完整環狀基因組（命名為Candidatus Ruthturnera sp. Tsphm01）。該共生菌基因組大小為1.53 Mb，編碼1521個基因，完整度100%。基因組分析表明：  

基因組縮減特征：相比自由生活近緣菌，缺失了趨化性、三羧酸循環（TCA）及小分子（氨基酸、輔因子）從頭合成通路，表明其為專性胞內共生菌。  

 

化能自養能力：保留完整的硫氧化（SOX途徑）和無機碳固定（Calvin-Benson-Bassham循環）通路，且高表達。  

 

厭氧適應機制：具備厭氧呼吸能力（DMSO和硝酸鹽還原），并擁有低氧適應型細胞色素c氧化酶（cbb3型）。  

 

宿主轉錄組分析揭示了其對共生菌不完整代謝通路的互補機制（如酪氨酸和甲硫氨酸合成），并通過吞噬作用和外泌體獲取營養。  

 

研究目的

解析深海甲烷滲漏區Thyasiradae蛤類共生菌的基因組特征及代謝潛力。  

 

闡明宿主-共生菌在厭氧環境中的代謝互作機制。  

 

探究共生菌的進化地位及其對極端環境的適應性。  

 

研究思路

樣本采集與環境參數測量：  

 

在中國南海"海馬"冷泉區（1433米深）采集Thyasira sp.標本（圖1），使用丹麥Unisense H?S和O?微電極測量沉積物氧化還原梯度（方法部分）。  

 

基因組與轉錄組測序：  

 

PacBio HiFi+Illumina雙平臺測序組裝共生菌完整環狀基因組（表1，圖2）。  

 

 

 

鰓組織宏轉錄組測序分析宿主和共生菌基因表達。  

系統發育與功能注釋：  

 

基于16S rRNA基因和772個直系同源蛋白構建系統發育樹（圖3），確定共生菌分類地位。  

 

 

KEGG/GO/COG注釋代謝通路（圖2, 4, 5）。  

 

 

 

表達量分析：  

 

定義高表達基因（HEGs：共生菌TPM>300，宿主TPM>100），富集分析關鍵通路（圖4）。  

 

測量數據及研究意義

沉積物O?/H?S梯度（方法部分）  

 

數據：O?濃度從沉積物表層的~100 μM降至數毫米內不可檢測（<0.3 μM）；H?S濃度在3-5 cm深度達700-1400 μM。  

 

意義：證實樣本采集點為典型厭氧環境，為共生菌硫氧化代謝提供生態背景。  

共生菌基因組特征（表1，圖2）  

 

數據：基因組大小1.53 Mb，GC含量36.9%，編碼1521基因，含完整硫氧化（soxXYZAB, aprAB, dsrAB）和CBB循環基因（RuBisCO, prk等）。  

 

意義：揭示共生菌基因組縮減但保留核心自養能力，支持其專性共生生活方式。  

高表達基因（HEGs）（圖4, 5a）  

 

數據：  

 

硫氧化基因：soxB（TPM=5,640）、aprA（TPM=4,872）。  

 

碳固定基因：RuBisCO（TPM=9,014）、GAPDH（TPM=10,447）。  

 

厭氧呼吸基因：DMSO還原酶dmsAB（TPM=3,825-5,340）、硝酸鹽還原酶narG（TPM=1,622）。  

 

意義：證實共生菌在厭氧環境中依賴硫氧化產能，并通過替代電子受體（DMSO/硝酸鹽）維持呼吸。  

宿主-共生菌代謝互補（圖5）  

 

數據：  

 

共生菌缺失酪氨酸、甲硫氨酸合成通路，但宿主表達苯丙氨酸羥化酶（phhA）和半胱氨酸裂解酶。  

 

宿主高表達吞噬作用相關基因（鈣網蛋白calreticulin, TPM=1,653）和溶酶體酶（組織蛋白酶cathepsin, TPM=153-2,393）。  

 

意義：揭示宿主通過吞噬消化共生菌獲取營養（"耕作模式"），并通過外泌體（exosome）分配營養。  

 

結論

共生菌特性：Ca. Ruthturnera sp. Tsphm01為專性硫氧化共生菌，基因組縮減但保留完整無機碳固定和硫氧化通路，通過cbb3型細胞色素氧化酶和厭氧呼吸適應低氧環境。  

 

宿主互作機制：宿主通過代謝途徑互補（提供酪氨酸/甲硫氨酸）和主動吞噬共生菌獲取營養，外泌體介導營養分配。  

 

進化意義：共生菌系統發育接近Vesicomyidae蛤類共生菌（圖3），基因組低SNP密度支持垂直傳播假說，為雙殼類化學共生演化提供新模型。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense H?S和O?微電極系統（搭配微操縱器）測量沉積物微環境：  

原位環境參數定量：  

 

數據：O?濃度在沉積物表層（0-1 cm）從~100 μM驟降至<0.3 μM；H?S濃度在3-5 cm深度高達700-1400 μM（方法部分）。  

 

意義：直接證實采樣點為強還原性厭氧環境，為共生菌的硫氧化代謝和厭氧呼吸（如DMSO還原）提供必需的生態位條件，解釋其基因組中富集厭氧適應基因（如dsrAB, dmsAB）的進化驅動因素。  

共生菌代謝活動的間接證據：  

 

數據：極高H?S濃度（>700 μM）與低O?的共存。  

 

意義：表明共生菌需高效硫氧化途徑（SOX系統高表達）以利用H?S作為電子供體，同時依賴cbb3型細胞色素氧化酶（高氧親和力）在微氧界面生存。這種環境壓力解釋了基因組中缺失需氧TCA循環但保留CBB循環的邏輯。  

宿主生存策略關聯：  

 

數據：沉積物O?在毫米尺度內耗盡。  

 

意義：與宿主鰓組織中高表達血紅蛋白基因（TPM=8,238）相呼應，說明宿主通過血紅蛋白高效捕獲微量O?以維持共生菌功能，凸顯Unisense微電極數據對理解宿主-共生菌協同適應機制的貢獻。  

 

核心價值：Unisense微電極實現了沉積物氧化還原梯度的毫米級分辨率原位測量，將宏觀生境特征與微觀基因組/轉錄組響應直接關聯，為化能共生體系的"環境-基因功能-宿主互作"整合研究提供了關鍵實證支撐。