深海偏顶蛤与甲烷共生菌共生关系建立和调控的分子机制研究

Deep-sea mussels of genus Bathymodiolus are numerically dominant macrofauna in many cold seep and hydrothermal vent ecosystems worldwide, owing its successful symbiosis with specific chemosynthetic bacteria. The endosymbiosis between deep-sea mussels and chemosynthetic bacteria is the key physiological adaptation achievement allowing Bathymodiolus mussels to survive with the total absent of sunlight. Till now, the study on the molecular mechanism behind the establishment and maintenance of endosymbiosis is still in its infancy. In this study, we use the seep mussel Bathymodious platifrons from the South China Sea to study the mussel-symbiont system. Firstly, we aim to conduct a laboratory cultivation experiment to get the symbiont loss and re-acquirement mussels, and identify the process by DNA quantification and cellular cytological observation. Then, through gene expression profiles, different expression gene analysis and gene co-expression network construction, we intend to identify hub genes and their regulatory network during symbiont loss and re-acquirement. At last, using bacteria expose experiments, we intend to conform the function of the key genes in pattern recognition and symbiont management, and clarify the underlying mechanism of endosymbiosis. The results will enrich our understanding of deep-sea symbiotic organisms, promote further analysis of deep-sea symbiotic mechanism, and provide model organism and theoretical basis for the study of deep-sea endosymbiosis.

深海偏顶蛤是深海热液和冷泉生物群落中的代表性优势物种，其生存依赖于鳃丝内特异性的化能合成共生菌提供物质和能量。共生是深海偏顶蛤适应深海环境的最重要特征，然而目前对其与微生物共生关系建立和维持的内在机制仍不明确。本研究以我国南海冷泉优势物种平端深海偏顶蛤（Bathymodious platifrons）为研究对象，通过控制培养条件获得共生菌逐渐减少和重新富集的实验群体，在分子水平和细胞水平分析共生菌丢失和富集的过程；同时，开展转录组测序，进行差异基因分析和基因共表达网络分析，鉴定共生菌减少和重新富集中的关键调控基因及其调控网络；最后，通过细菌侵染实验验证关键基因在共生菌特异性识别、共生菌数量调控中的作用，从而揭示深海偏顶蛤与共生微生物共生关系建立和调控的分子机制。本研究的结果将丰富深海共生生物的认识，推进深海共生机制的解析，亦为深海共生系统的研究提供生物模型和理论基础。

深海偏顶蛤是深海热液和冷泉生物群落中的代表性优势物种，其生存依赖于鳃丝内特异性的化能合成共生菌提供物质和能量。共生是深海偏顶蛤适应深海环境的最重要特征，然而目前对其与微生物共生关系建立和维持的内在机制仍不明确。平端深海偏顶蛤（Bathymodious platifrons）是我国南海冷泉优势物种，可以在实验室进行常压培养。本研究以实验室培养的平端深海偏顶蛤为研究对象，解析其共生关系调控和维持的分子基础。通过实验室培养获得不同甲烷浓度和不同培养时间的生物样品，利用qPCR和电镜分析在分子和细胞的水平检测共生菌的含量，揭示了不同甲烷培养条件下共生菌丢失的速度和程度的差异；同时，对不同共生菌丢失程度的深海偏顶蛤共生组织开展宏转录组测序，分析了深海偏顶蛤和共生菌应对培养环境变化的基因通路和调控过程，结果表明，对于实验室常压培养环境的变化，共生细菌在转录组水平具有更迅速和更广泛的响应；本研究还通过基因共表达网络（WGCNA）的构建和分析，深入解析了实验室培养深海偏顶蛤应对共生菌数量变化的响应机制，鉴定了4个与共生菌数量变化显著相关的基因模块，通过模块功能富集及其关键调控基因分析，揭示了免疫识别和调控、细胞骨架构建等通路中与共生关系建立与维持密切相关的关键功能基因；最后，分析了关键功能基因在富集的含菌细胞中的基因表达，并通过免疫组化实验，验证了其对于共生维持和调控的重要作用。本研究深入解析了深海偏顶蛤与甲烷共生菌共生互作及共生菌识别和维持相关的关键基因和调控过程，研究结果丰富了深海共生生物的科学认识，同时也为深海共生机制的解析和深海生态系统的研究提供了重要基础数据。