在距離海平面千米以下的深海，陽光無法抵達(dá)，海水冰冷，壓力極大。作為“海底沙漠”，這里環(huán)境極端，但卻生長著形態(tài)各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的深海珊瑚，構(gòu)建起一片生機(jī)勃勃的海底“秘密花園”。
沒有陽光，食物稀少，它們的能量從何而來？
11月20日，中國水產(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《細(xì)胞—宿主與微生物》上發(fā)表最新研究。合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)生存在深海的偽交替深海黑珊瑚，其體內(nèi)有一套高效、穩(wěn)定、功能互補(bǔ)的“共生系統(tǒng)”，可以適應(yīng)深海寡營養(yǎng)、低溫、高壓的環(huán)境。
他們從宿主與共生菌兩個(gè)層面系統(tǒng)揭示了其營養(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)。
得以生存的能量從何而來？
生活在淺海的珊瑚色彩斑斕、生機(jī)勃勃，離不開其體內(nèi)共生的蟲黃藻。蟲黃藻通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為珊瑚提供高達(dá)90%的能量。然而，在沒有陽光、食物貧瘠的深海之中，深海珊瑚得以生存的能量從何而來？
過去，科學(xué)家們認(rèn)為，深海珊瑚可能是靠上層海水飄下來的海洋生物碎屑為生，但在食物極其稀少的深海，光靠這點(diǎn)“殘羹剩飯”真的夠嗎？于是，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。
“此前的研究中，我們大概知道了有些細(xì)菌和古菌以共生的形式住在珊瑚里面，卻不知道它們和深海珊瑚之間到底是如何分工的。”論文共同通訊作者、華大生命科學(xué)研究院研究員孟亮表示。為此，研究團(tuán)隊(duì)以偽交替深海黑珊瑚為模型，對深海珊瑚進(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)勢共生菌基因組、空間定位、轉(zhuǎn)錄活性的全鏈條分析體系，揭示了深海珊瑚共生體系的運(yùn)作模式。
研究團(tuán)隊(duì)在水下拍攝的偽交替深海黑珊瑚。受訪者供圖在獲得了高質(zhì)量偽交替深海黑珊瑚基因組后，研究人員發(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)生了顯著“擴(kuò)張”。“這說明，為了適應(yīng)深海的極端環(huán)境，深海珊瑚強(qiáng)化了從運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)的能力，同時(shí)強(qiáng)化了自身的抵抗能力和代謝能力，為高效利用內(nèi)部資源做好了準(zhǔn)備。”孟亮表示。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，偽交替深海黑珊瑚自身缺乏多種氨基酸與部分維生素的完整合成途徑，“既然自己不能轉(zhuǎn)換營養(yǎng)物質(zhì)，那它必然要依靠外部供應(yīng)才能得以生存。這一發(fā)現(xiàn)從遺傳學(xué)上暗示，偽交替深海黑珊瑚的生存，或許依賴共生菌實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)互補(bǔ)。”孟亮表示。
通過對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，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，偽交替深海黑珊瑚維系著一個(gè)獨(dú)立于周邊海水環(huán)境、且組成簡單且穩(wěn)定的共生菌群。
深海珊瑚的“神仙隊(duì)友”
既然偽交替深海黑珊瑚依賴共生菌群得以生存，那么這些“神仙隊(duì)友”是如何與宿主分工合作的？
通過原位雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)先，共生菌在偽交替深海黑珊瑚的水螅體中廣泛分布，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)。
研究人員還對偽交替深海黑珊瑚體內(nèi)4種核心的共生菌進(jìn)行了測序分析。他們發(fā)現(xiàn)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。
首先是“首席營養(yǎng)師”——氨氧化古菌。這種菌類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)解毒與營養(yǎng)供給的雙重功能。其次是“金牌保健師”——研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的一種從未被報(bào)道過的共生菌群（Ca.Bathybacter bathypathes），這種菌類具有合成血紅素、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(bǔ)給作用。
此外，還有兩位“保鏢”——兩種柔膜菌（Ca.Bathyplasma bathypathes和Ca.Thalassoplasma bathypathes）。這兩種柔膜菌的基因組高度簡化，分別攜帶II型CRISPR/Cas和3種限制-修飾（R-M）系統(tǒng)，就像“保鏢”，為宿主構(gòu)筑了抵御病毒入侵的防御屏障。
一種奇特的共存機(jī)制
擁有如此多功能的細(xì)菌住在體內(nèi)，一個(gè)新的問題隨之產(chǎn)生：珊瑚的免疫系統(tǒng)為何不將這些細(xì)菌視為“入侵者”而加以清除？它們是如何實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定、和平共處的？
研究人員揭示了一種偽交替深海黑珊瑚與共生菌群長期穩(wěn)定共存的機(jī)制。通過構(gòu)建宿主調(diào)控共生菌的分子模型，他們發(fā)現(xiàn)，珊瑚的內(nèi)外胚層細(xì)胞會(huì)通過TLR13等“模式識(shí)別受體”，像哨兵一樣時(shí)刻監(jiān)控著共生菌的狀態(tài)。當(dāng)接收到共生菌釋放的特定分子信號(hào)后，會(huì)通過一個(gè)名為MyD88蛋白的“信號(hào)兵”啟動(dòng)免疫信號(hào)通路，誘導(dǎo)TNF-α等免疫因子的表達(dá)，從而實(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養(yǎng)。”孟亮解釋道，這個(gè)模型系統(tǒng)闡釋了為何簡化且穩(wěn)定的共生菌群能夠在宿主體內(nèi)實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定共存。
該研究系統(tǒng)揭示了偽交替深海黑珊瑚簡化穩(wěn)定、高效率、功能互補(bǔ)的共生新策略，闡明了深海珊瑚在營養(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挖掘。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.chom.2025.10.020
本文鏈接：不靠陽光不捕食，千米下的深海珊瑚如何生存？http://m.sq15.cn/show-11-28756-0.html
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