Результаты исследования опубликованы в академическом журнале Molecular Biology and Evolution.
Из-за общей нехватки органического вещества, полученного в результате фотосинтеза, глубоководные районы когда-то считались огромной «пустыней» с очень небольшой биомассой.
Тем не менее, моллюски часто образуют большие популяции в высокотемпературных гидротермальных источниках и ледяных просачиваниях в глубоких океанах по всему миру, куда солнечный свет не может проникнуть, но токсичные молекулы, такие как сероводород, доступны под морским дном. Известно, что у моллюсков ослаблен кишечник и пищеварительная система, и они полагаются на эндосимбиотические бактерии для выработки энергии в процессе, называемом хемосинтезом. Однако, когда возникли эти симбиотические отношения и как взаимодействуют моллюски и хемоавтотрофные бактерии, остается в значительной степени неясным.
Впервые открыт горизонтальный перенос генов между бактериями и моллюсками
Исследовательская группа под руководством профессора Цю Цзяньвэня, доцента и профессора кафедры биологии HKBU, собрала образцы моллюсков на высоте 1360 метров ниже уровня моря из холодного выхода в Южно-Китайском море. Затем были секвенированы геномы моллюска и его симбиотических бактерий, чтобы пролить свет на геномные сигнатуры их успешных симбиотических взаимоотношений.
Команда обнаружила, что предок моллюска разделился со своими мелководными родственниками 128 миллионов лет назад, когда динозавры бродили по земле. Исследование показало, что 28 генов были перенесены от предков хемоавтотрофных бактерий к моллюскам, что стало первым открытием горизонтального переноса генов – процесса, который передает генетический материал между отдаленно родственными организмами – от бактерий к двустворчатому моллюску.
Были обнаружены следующие геномные особенности моллюска, которые в совокупности позволили ему адаптироваться к экстремальной глубоководной среде:
(1) Адаптации для хемосинтеза
Моллюск полагается на свои симбиотические хемоавтотрофные бактерии для производства биологических материалов, необходимых для его выживания.
В своих симбиотических отношениях моллюск поглощает сероводород из осадка, кислород и углекислый газ из морской воды и передает их бактериям, живущим в клетках его жаберного эпителия, для производства энергии и питательных веществ в процессе, называемом хемосинтезом. Процесс показан на рисунке 1.
Исследовательская группа также обнаружила, что геном моллюска демонстрирует расширение семейства генов в клеточных процессах, таких как дыхание и диффузия, которые, вероятно, способствуют химиоавтотрофии, включая доставку газа для поддержки производства энергии и углерода, перенос малых молекул и белков внутри симбионта и регуляцию популяции эндосимбионтов. Это помогает хозяину получать достаточное количество питательных веществ от симбиотических бактерий.
(2) Переход от пищи на основе фитопланктона
Целлюлаза – это фермент, который способствует разложению целлюлозы фитопланктона, основного источника пищи в морской пищевой цепи.
Было обнаружено, что гены целлюлазы моллюсков претерпели значительное сокращение, что, вероятно, является адаптацией к переходу от пищи, полученной из фитопланктона, к питанию на основе бактерий.
(3) Адаптация к метаболическим путям серы
Геном симбионта также хранит секреты этих взаимовыгодных отношений. Команда обнаружила, что у моллюска уменьшенный геном, так как он составляет всего около 40% от размера его свободно живущих родственников.
Тем не менее, геном симбионта кодирует полные и гибкие пути метаболизма серы, и он сохраняет способность синтезировать 20 общих аминокислот и другие важные питательные вещества, подчеркивая важность симбионта в выработке энергии и обеспечении питательными веществами для поддержки симбиотических отношений.
(4) Улучшение способности связывать кислород
В отличие от позвоночных, гемоглобин, металлопротеин, содержащийся в крови и тканях многих организмов, обычно не используется в качестве переносчика кислорода у моллюсков. Тем не менее, команда обнаружила у моллюска несколько видов высокоэкспрессированных генов гемоглобина, что свидетельствует об улучшении его способности связывать кислород, что может повысить способность моллюска выживать в глубоководных средах с низким содержанием кислорода.
Профессор Цю сказал: «Большинство предыдущих исследований глубоководного симбиоза были сосредоточены только на бактериях. Эта первая связанная сборка генома моллюска и симбионта будет способствовать сравнительным исследованиям, направленным на выяснение разнообразия и эволюционных механизмов симбиоза, который позволяет многим беспозвоночным животным процветать в «экстремальных» глубоководных экосистемах."
Исследование было проведено совместно учеными из HKBU и Института исследований и непрерывного образования HKBU, Гонконгского отделения Южной лаборатории морских наук и инженерии Гуандун (Гуанчжоу), Гонконгского университета науки и технологий, Городского университета Гонконга. , Японское агентство морской науки и технологий, Институт глубоководных наук и инженерии Саньи и Морская геологическая служба Гуанчжоу.