浸大领导的研究揭开了深海生物基因组的秘密

由香港浸会大学(HKBU)的科学家领导的一项研究，破译了生活在深海蛤蜊鳃上皮细胞中的化学自养细菌(Candidatus Vesicomyosocius marissinica)的基因组。通过对它们的基因组结构和基因表达模式的分析，研究小组揭示了这两个伙伴之间的共生关系使蛤蜊能够在极端的深海环境中茁壮成长。

研究结果发表在学术期刊《分子生物学与进化》上。

由于普遍缺乏光合作用产生的有机物，深海曾经被认为是一个巨大的“沙漠”，只有很少的生物量。然而，蛤蜊经常在高温热液喷口和世界各地的深海中形成大量的种群，在那里阳光无法穿透，但有毒分子，如硫化氢，在海床下存在。众所周知，蛤蜊的肠道和消化系统较弱，它们依靠内共生细菌在一个称为化学合成的过程中产生能量。然而，这种共生关系何时发展，以及蛤蜊和化学自养细菌如何相互作用，在很大程度上仍不清楚。

首次发现细菌和蛤之间的水平基因转移

香港浸会大学生物学系副系主任邱建文教授带领的研究小组，在南海一处寒冷的海水渗漏处，于海平面以下1,360米处采集了这些蛤蜊标本。蛤蜊及其共生细菌的基因组随后被测序，以阐明它们成功共生关系的基因组特征。

研究小组发现，1.28亿年前，当恐龙在地球上漫步时，这种蛤蜊的祖先与它的浅水亲戚分离了。研究显示，已有28个基因从原始的化学自养细菌转移到蛤蜊身上，这是首次发现水平基因转移——在远亲生物之间传递遗传物质的过程——从细菌转移到双壳软体动物。

人们发现了蛤蜊的下列基因特征，并将这些特征结合起来，使其能够适应极端深海环境:

(1)适应化学合成

蛤蚌依靠其共生的化学自养细菌生产生存所必需的生物材料。在它们的共生关系中，蛤蚌从沉积物中吸收硫化氢，从海水中吸收氧气和二氧化碳，然后把它们传输给生活在鳃上皮细胞中的细菌，在一个称为化学合成的过程中产生能量和营养物质。这个过程如图1所示。

研究小组还发现,蛤蜊的基因组展品基因家族在细胞过程的扩张可能促进化能自养呼吸和扩散等,包括天然气交付支持能源和碳排放转移的共生有机体中的小分子和蛋白质,和内共生体人口的规定。它帮助宿主从共生细菌中获得足够的营养。

(2)食物不再以浮游植物为主

纤维素酶是一种促进浮游植物纤维素分解的酶，浮游植物是海洋食物链中的主要食物来源。人们发现，蛤蚌的纤维素酶基因已经经历了显著的收缩，这可能是对从浮游植物向细菌为基础的食物转变的一种适应。

(3)对硫代谢途径的适应

共生生物的基因组也掌握着这种互惠关系的秘密。研究小组发现，这种蛤蜊的基因组减少了，因为它的体型只有自由生活的同类的40%。然而，共生体基因组编码完整而灵活的硫代谢途径，并保留了合成20种常见氨基酸和其他必需营养素的能力，突出了共生体在产生能量和提供营养物质支持共生关系方面的重要性。

(4)氧结合能力的提高

与脊椎动物不同的是，血红蛋白是一种存在于许多生物体血液和组织中的金属蛋白，在软体动物中并不常用来作为氧气载体。然而，研究小组在这种蛤蜊体内发现了几种高表达的血红蛋白基因，这表明它的氧结合能力有所提高，这可以增强这种蛤蜊在深海低氧环境中生存的能力。

邱教授说:“以前对深海共生的大部分研究都只关注于细菌。这一首次耦合的蛤蜊共生基因组组装将促进比较研究，旨在阐明共生的多样性和进化机制，这种共生机制允许许多无脊椎动物在‘极端’深海生态系统中茁壮成长。”

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这项研究是由浸会大学和大学研究所的科学家共同进行研究和继续教育,南部的香港分支广东海洋科学与工程实验室(广州)、香港科技大学、香港城市大学、日本地球科学和技术部门的,三亚深海科学与工程研究所和广州海洋地质调查局。