马努斯深海热液管虫核心菌群分布特点及代谢特征研究

Vestimentiferan tubeworm is one of the dominant benthonic organisms in the deep-sea hydrothermal and cold-seep ecosystems. In the development process of tubeworms, the intestine will degenerate to form the trophosome, in which there are a large number of symbiont bacteria. The symbiont bacteria are of great significance for tubeworms to adapt to the extreme environment of deep sea. To date, reports of microbial symbionts of deep-sea hydrothermal tubeworms are limited to only a few bacterial species, which curbs the understanding of tubeworm symbiotic microbes and their functions. In 2015 during a scientific research cruise of “Kexue”, we obtained tubeworms samples as well as the surrounding sediment and water samples in Manus basin. In this study, we aim to examine the distribution, population diversity and metabolic characteristics of the symbiont bacteria of the tubeworms using the high-throughput sequencing. The findings will extend our understanding of the diversity, sources and function of commensal bacteria of hydrothermal tubeworms and promote our understanding of the interaction mechanism between large hydrothermal organisms and microorganisms.

管虫是深海热液和冷泉化能生态系统优势种之一。管虫在发育过程中，肠道会蜕化，形成营养体，其内存在大量共生菌，这些共生菌对于管虫在深海特殊环境中的生存具有重要意义。目前，已有研究只限于很少几个热液管虫共生菌，很大程度上限制了我们对管虫共生菌多样性及作用的认识。申请人参加了2015年“科学”号综合考察船马努斯热液航次，获得了热液管虫及其周围的沉积物和水体样品。在此基础上，本项目拟利用高通量测序、分子微生物学及显微观测等技术研究马努斯热液管虫核心共生菌群多样性、分布特点以及代谢特征。研究结果将扩展我们对热液管虫共生菌多样性、来源及功能的认识，促进我们对热液大型生物与微生物互作机制的理解。

管虫是深海热液和冷泉化能生态系统的优势种之一，是研究生物深海适应及与共生菌互作机制的优秀模式物种。在本项目中，通过对马努斯热液采集到的管虫进行基因组测序，我们首次得到并分析Arcovestia ivanovi种管虫的基因组，解析了其深海适应的分子基础。发现LINE/CR1为A. ivanovi中主要重复序列种类，其在深海环节动物门中的扩张。A. ivanovi基因组中存在294个特有的基因簇，其中很多微生物互作相关。发现与哺乳动物相比，无脊椎动物中SIRT6拷贝数量的呈现明显扩增，可能与其潜在的极端长寿的有关。解析了马努斯热液管虫（A. ivanovi）和冲绳海槽管虫（Lamellibrachia columna）共生菌群落结构，确认了主要共生菌，并获得其基因组信息。利用显微观测和电镜技术，结合多组学技术，系统分析管虫与菌共生器官（营养体）的结构、共生菌的基因组特征和原位代谢特征。首次提出含菌细胞内共生菌存在一个成熟的过程，这个过程包含体积由小变大，最后细菌内部会充满糖原，然后细菌裂解，营养物质被释放到胞内。这一过程在组学数据中也得到了进一验证，卡尔文本森（CBB）循环非常活跃，但是由于缺乏6-磷酸葡萄糖磷酸酶，所以共生菌无法合成葡萄糖。转录组分析表明CBB途径合成的6-磷酸葡萄糖可能会合成大量糖原。在代谢组中，我们检测到葡萄糖 6-磷酸、葡萄糖 1-磷酸和糖原，未检测葡萄糖。同时，我们首次发现共生菌反向三羧酸循环（rTCA）途径中缺乏磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶，宿主可能将 CO2 预先固定到有机 C4 化合物中，然后将其运输到共生菌中，从而支持共生菌的 rTCA。管虫体内的O-抗原途径基因更多，这些基因可用于形成特殊的O-抗原，从而被宿主特异性识别。以上研究结果极大增加了我们对于管虫共生菌生理代谢机制的认知，显著促进了我们对于热液管虫深海适应机制及其与共生菌互作机制的理解。