中國海洋大學(xué)孫進教授課與莊光超教授課題組在淺海化能共生的貝類研究領(lǐng)域取得新進展！

中國海洋大學(xué)孫進教授課與莊光超教授課題組

在淺海化能共生的貝類研究中取得新進展

化能共生是海洋生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的“宿主—微生物”協(xié)作范式，常見于深海熱液、冷泉等極端環(huán)境中，然而淺海富含有機物沉積環(huán)境中的化能共生機制及其相應(yīng)的生態(tài)地位仍不清楚。近日，中國海洋大學(xué)生物多樣性與進化研究所孫進教授課題組與海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室莊光超教授課題組在Science Advances（《科學(xué)進展》）雜志發(fā)表題為 “Intricate chemosymbiosis in a widespread shallow-water thyasirid clam”（淺海廣布種薄索足蛤中復(fù)雜的化能共生機制）的研究成果。

早在1958年我國首次底棲生物生態(tài)調(diào)查中，薄索足蛤（Thyasira tokunagai）就被列為黃海冷水團沉積物中的優(yōu)勢底棲物種（圖1）。薄索足蛤所在的索足蛤科是常見于深海熱液、冷泉、深淵的具有化能共生細菌的貝類。因此，在黃海習(xí)見的薄索足蛤是否也具有化能共生現(xiàn)象，以及其多樣性、化能通路、速率、對區(qū)域生物地化循環(huán)的貢獻如何成為亟待解決的科學(xué)問題。

圖1 薄殼索足蛤的采樣站位、穩(wěn)定同位素特征及共生細菌分布

為此，中國海洋大學(xué)孫進教授與莊光超教授團隊聯(lián)合多家科研單位，組建跨學(xué)科研究團隊，歷經(jīng)6年時間、結(jié)合9個共享航次樣品，對黃海冷水團沉積物中的薄索足蛤樣本開展了系統(tǒng)性研究。團隊整合了穩(wěn)定同位素分析、熒光原位雜交、電子顯微鏡觀察、擴增子組學(xué)、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、空間條形碼組及1?C示蹤等多維度技術(shù)手段，構(gòu)建了“形態(tài)觀察—組學(xué)解析—量化評估”的完整研究體系。

核心研究發(fā)現(xiàn)如下：該貝類鰓組織中存在兩類共生硫氧化細菌（分屬同一物種的兩種系統(tǒng)型），以胞外定殖模式形成穩(wěn)定共生關(guān)系，分類學(xué)上歸屬于Sedimenticola屬；二者僅在16S rRNA基因第590位存在G/A單堿基差異，空間分布上呈現(xiàn)明顯異質(zhì)性，但基因組層面的代謝通路高度保守，與宿主形成緊密的代謝耦合網(wǎng)絡(luò)（圖2）。功能解析表明，共生細菌可利用宿主微生境中的硫化物作為能量來源，通過卡爾文循環(huán)高效固定無機碳，合成有機物、氨基酸及維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，供自身與宿主共同利用；而宿主則采用“沉積攝食+化學(xué)共生”的混合營養(yǎng)策略，實現(xiàn)營養(yǎng)獲取的互補與高效化。進一步，研究團隊創(chuàng)新采用“活貝共生體（宿主—微生物復(fù)合體）原位環(huán)境模擬” 技術(shù)，結(jié)合高靈敏度1?C示蹤法，精準量化得出（圖3）：薄索足蛤的平均碳固定速率達29.3±8.7 nmol C?clam?1?day?1，單只碳固定能力相當于370毫升底層海水的水平。基于該實測數(shù)據(jù)，運用克里金插值法估算，黃海薄殼索足蛤種群的年碳匯量約為2.74 Gg C?yr?1，為淺海生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)貢獻提供了關(guān)鍵量化依據(jù)。

圖2 鰓組織中共生細菌的兩種共生系統(tǒng)型的多樣性與空間分布

本研究闡明了淺水薄索足蛤化能共生機制，揭示淺水環(huán)境 “宿主—共生菌” 代謝協(xié)作新模式，填補淺海化能共生研究空白。該貝類分布廣、個體多、易操作，為海洋化能共生研究提供全新模型；其顯著碳固定能力表明，淺海化能共生生物可能是海洋碳循環(huán)中被低估的 “碳匯貢獻者”，為理解淺海生物地化循環(huán)提供重要補充。

圖 3 薄索足蛤復(fù)合群體的全球分布及共生體的碳固定速率測定

中國海洋大學(xué)孫進教授與莊光超教授為該論文的共同通訊作者。中國海洋大學(xué)博士研究生李盟功、博士后李云龍及博士毛士海（已畢業(yè)）為該論文的共同第一作者。本研究受到國家自然科學(xué)基金面上項目、嶗山實驗室科技創(chuàng)新項目、國家重點研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費及山東省泰山學(xué)者青年專家計劃的資助。

中國海洋大學(xué)2023級博士研究生李盟功

文章鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw8163

• 信息來源:中國海洋大學(xué)。

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