11月20日，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所邵長偉研究員團隊在深海黑珊瑚與共生菌共演化機制研究中取得重要突破。相關(guān)成果以《Hologenomic Insights into the Molecular Adaptation of Deep-sea Coral Bathypathes pseudoalternata》為題發(fā)表于Cell子刊《Cell Host & Microbe》（IF5y=20.5）。該研究以偽交替深海黑珊瑚為研究對象，利用多組學(xué)分析，結(jié)合原位雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（HCR）與透射電鏡（TEM）技術(shù)，從宿主與共生菌兩個層面系統(tǒng)揭示了深海黑珊瑚在寡營養(yǎng)、低溫、高壓環(huán)境中的營養(yǎng)互補和免疫穩(wěn)態(tài)協(xié)同維持機制，為解析極端環(huán)境下深海黑珊瑚的適應(yīng)性策略與生態(tài)系統(tǒng)維持機制提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。
研究概覽
深海珊瑚是構(gòu)筑深海生態(tài)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵類群，為深海生物提供了重要的棲息地與庇護所。然而，與依賴光合作用提供能量的淺海珊瑚不同，深海珊瑚生存于黑暗、低溫、高壓及營養(yǎng)匱乏的極端環(huán)境中，其能量來源與適應(yīng)機制一直是深海生態(tài)學(xué)研究的核心命題。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，上層水體沉降的“海雪”是深海珊瑚的主要營養(yǎng)來源。然而，在寡營養(yǎng)的深海環(huán)境中，此類外源性能量輸入是否足以支撐其完整的生命活動，尚存爭議。近年來，研究推測其共生菌可能在營養(yǎng)補給、能量代謝與環(huán)境適應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但相關(guān)研究局限于共生菌群落組成描述，對宿主與共生菌之間具體的分子互作機制（物質(zhì)交換、免疫識別與協(xié)同適應(yīng)等）仍缺乏系統(tǒng)性的實驗證據(jù)與遺傳層面上的機制解析。
本研究圍繞“深海珊瑚如何在極端環(huán)境中維持穩(wěn)定簡化且高效的共生菌群，并實現(xiàn)營養(yǎng)互補與免疫穩(wěn)態(tài)”這一核心科學(xué)問題，從宿主基因組、共生菌組成與多樣性、優(yōu)勢共生菌基因組及其時空特征等方面，系統(tǒng)解析了深海黑珊瑚在極端環(huán)境中維持宿主與共生菌互作的分子基礎(chǔ)，提出了簡化穩(wěn)定、高效互補的深海共生新范式，為評估深海珊瑚生態(tài)系統(tǒng)韌性及生物地球化學(xué)循環(huán)提供了可驗證的分子框架。
研究團隊成功組裝獲得由16條染色體構(gòu)成的高質(zhì)量深海黑珊瑚基因組，其BUSCO評估完整性達93.0%，共注釋基因29,835個，重復(fù)序列占比約75.25%。結(jié)合轉(zhuǎn)座元件的插入時間，發(fā)現(xiàn)重復(fù)序列能參與宿主與共生體在長期協(xié)同演化過程中的遺傳重塑?；蚣易宸治鼋Y(jié)果表明，與物質(zhì)轉(zhuǎn)運、免疫與炎癥反應(yīng)、溶酶體功能等相關(guān)的基因家族發(fā)生顯著擴張，體現(xiàn)了以強化物質(zhì)輸入與內(nèi)吞消化為核心的適應(yīng)機制。此外，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現(xiàn)營養(yǎng)互補的跨域協(xié)同機制提供了分子依據(jù)。
深海黑珊瑚基因組特征及種群動態(tài)歷史
對來自南海與西太平洋跨不同水深與地理區(qū)域的14個樣本進行共生菌組成與多樣性分析，發(fā)現(xiàn)共生菌群組成保持簡化且穩(wěn)定的特征，證實了深海黑珊瑚維系了一個獨立于周邊環(huán)境的共生菌群。這種高度簡化的共生模式，支持了營養(yǎng)需求驅(qū)動下深海黑珊瑚對共生菌進行非隨機選擇的假說。HCR結(jié)果顯示共生菌在深海黑珊瑚水螅體中廣泛分布，顯著富集于中膠層。TEM觀察到了典型的氨氧化古菌（AOA）、延伸形態(tài)的柔膜菌以及球形的α-變形桿菌等。中膠層的高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)的雙向擴散與循環(huán)，也為共生菌提供了相對安全的微環(huán)境，使物質(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)同實現(xiàn)。
深海黑珊瑚共生體內(nèi)共生菌群落結(jié)構(gòu)與空間分布
研究團隊重建了四個核心共生菌的高質(zhì)量基因組草圖，發(fā)現(xiàn)共生氨氧化古菌具有3-羥丙酸/4-羥基丁酸（3HP/4HB）固碳循環(huán)途徑及氨單加氧酶（amoABC）基因簇，能夠氧化宿主代謝產(chǎn)生的氨，驅(qū)動有機碳與多種氨基酸、維生素的合成，最終通過多種跨膜轉(zhuǎn)運蛋白供給宿主，從而實現(xiàn)解毒與營養(yǎng)供給的雙重功能。新發(fā)現(xiàn)的共生菌群（Ca. Bathybacter bathypathes）具有合成血紅素、硫辛酸、谷胱甘肽及脂肪酸的潛力，兼具抗氧化應(yīng)激與營養(yǎng)補給作用。此外，兩種柔膜菌基因組高度簡化，分別攜帶II型CRISPR-Cas和3種限制-修飾（R-M）系統(tǒng)，共同為宿主構(gòu)筑了抵御病毒入侵的生物屏障。
基于上述多組學(xué)數(shù)據(jù)和實驗觀測結(jié)果，本研究構(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等模式識別受體（PRRs）識別共生菌相關(guān)分子模式，經(jīng)由MyD88接頭蛋白激活MAPK與NF-κB信號通路，誘導(dǎo)TNF-α等因子表達，進而招募中膠層變形細(xì)胞對共生菌進行可控的吞噬與溶酶體消化，實現(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PRRs也參與該過程的精細(xì)調(diào)控。該模型與HCR/TEM的空間分布證據(jù)以及宿主溶酶體與轉(zhuǎn)運蛋白家族的擴張相互印證，系統(tǒng)闡釋了穩(wěn)定簡化且高效的共生菌群在宿主體內(nèi)長期穩(wěn)定共存的分子機制。
深海黑珊瑚共生體宿主與共生菌的代謝和互作模式
綜上，本研究系統(tǒng)揭示了深海黑珊瑚簡化穩(wěn)定、高效互補的共生新策略，闡明了營養(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)、評估生物對極端環(huán)境的適應(yīng)潛力及生態(tài)系統(tǒng)韌性提供了可遷移的理論框架，將助力深海生物多樣性評估和深海生物功能基因資源的深入挖掘。
黃海所位戰(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。黃海所邵長偉研究員、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。本研究得到了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目、山東省自然科學(xué)基金青年項目、國家重點研發(fā)計劃、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州）項目、香港特別行政區(qū)政府基金、香港科技大學(xué)Otto Poon氣候恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展中心項目、山東省海洋科學(xué)技術(shù)基金（青島）國家海洋科學(xué)實驗室試點項目、海南省重大科技項目以及中國水產(chǎn)科學(xué)研究院中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費等的資助。
文章鏈接：
Wei, Z., Lan, Y., Meng, L., Wang, H., Li, L., Li, Y., Zhang N., Lu, R., Cui, Z., Song, Y., et al. (2025). Hologenomic Insights into the Molecular Adaptation of Deep-sea Coral Bathypathes pseudoalternata. Cell Host & Microbe. 10.1016/j.chom.2025.10.020
