Co-expression analysis reveals distinct alliances around two carbon fixation pathways in hydrothermal vent symbionts

共表達(dá)分析揭示了熱液噴口共生體中圍繞兩條碳固定途徑的不同聯(lián)盟

來(lái)源：Nature Microbiology | Volume 9 | June 2024 | 1526–1539

 

摘要核心內(nèi)容

深海熱液管狀蠕蟲(chóng)Riftia pachyptila的內(nèi)共生細(xì)菌"Candidatus Endoriftia"同時(shí)具備兩種碳固定途徑——卡爾文-本森-巴斯?jié)h（CBB）循環(huán)和還原性三羧酸（rTCA）循環(huán)。本研究通過(guò)高壓培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝速率測(cè)量及共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，揭示兩種途徑在不同地球化學(xué)條件下的協(xié)調(diào)機(jī)制：rTCA與氫化酶和異化硝酸鹽還原協(xié)同，CBB與硫氧化和同化硝酸鹽還原協(xié)同。碳固定速率高達(dá)24μmol g?1h?1，表明雙途徑共存是維持高生產(chǎn)力的適應(yīng)性策略。

 

研究目的

闡明兩種碳固定途徑（CBB和rTCA）在動(dòng)態(tài)熱液環(huán)境中的表達(dá)調(diào)控關(guān)系。

探究?jī)煞N途徑與其他代謝過(guò)程（硫、氮、氫代謝）的功能協(xié)同性。

量化共生體的凈碳固定速率，評(píng)估雙途徑的生理意義。

 

研究思路

樣本采集與模擬培養(yǎng)：

從東太平洋海?。‥PR）采集Riftia pachyptila，在高壓呼吸儀（HPRS）中模擬原位溫壓和地球化學(xué)條件（圖1d-f）。

 

設(shè)計(jì)多組處理：富硫/氧（replete）、限硫/氧（limiting）、無(wú)底物對(duì)照（control）（圖1e）。

多維度數(shù)據(jù)測(cè)量：

底物攝取速率：ΣH?S、O?、H?（使用丹麥Unisense電極等）。

碳固定速率：13C標(biāo)記DIC（溶解無(wú)機(jī)碳）摻入生物量速率（Cinc）。

轉(zhuǎn)錄組分析：共生體組織mRNA測(cè)序（RNA-seq），差異表達(dá)（DE）和共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)（WGCNA）。

整合分析：

關(guān)聯(lián)環(huán)境參數(shù)-基因表達(dá)-代謝速率，識(shí)別關(guān)鍵響應(yīng)模塊（如rTCA與氫化酶的協(xié)同）。

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

底物攝取速率（ΣH?S、O?、H?）

數(shù)據(jù)來(lái)源：Fig.2a

研究意義：

ΣH?S與O?攝取高度正相關(guān)，證實(shí)硫氧化需氧支持（經(jīng)典能量代謝基礎(chǔ)）。

H?攝取率與O?無(wú)相關(guān)性，且與對(duì)照組無(wú)差異，排除氫氣作為主要電子供體的作用（修正傳統(tǒng)假設(shè)）。

碳固定速率（Cinc）

數(shù)據(jù)來(lái)源：Fig.2a

研究意義：

最高達(dá)24μmol g?1h?1，超過(guò)多數(shù)化能自養(yǎng)群落，與高光合生物相當(dāng)，證明雙途徑驅(qū)動(dòng)超高生產(chǎn)力。

限硫條件下Cinc顯著下降，凸顯硫?qū)μ脊潭ǖ暮诵南拗谱饔谩?

基因表達(dá)數(shù)據(jù)

差異表達(dá)（DE）：

數(shù)據(jù)來(lái)源：Fig.2b-c,Extended Data Fig.1

 

研究意義：

rTCA關(guān)鍵基因（aclA）在限硫時(shí)上調(diào)，CBB基因（cbbM）在缺氧時(shí)下調(diào)（Fig.2c），表明途徑對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的差異化響應(yīng)。

硫代謝基因在限硫/氧時(shí)下調(diào)，氫化酶與氮代謝基因上調(diào)（Fig.2b），揭示能量短缺時(shí)的代謝重塑。

共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)（WGCNA）：

數(shù)據(jù)來(lái)源：Fig.3,5

 

 

研究意義：

rTCA與氫化酶（Hyd1e）、異化硝酸鹽還原（norCB,nosZ）強(qiáng)關(guān)聯(lián)（金色/青綠色模塊）；CBB與硫氧化（sox,fccA）、同化硝酸鹽還原（narGHI）協(xié)同（粉色/櫻桃色模塊）（Fig.5），揭示途徑特異性代謝聯(lián)盟。

僅1個(gè)基因與雙途徑共享鄰居，表明調(diào)控獨(dú)立性（Fig.4）。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

測(cè)量目標(biāo)：溶解H?濃度（使用Unisense H?minisensor 500，檢測(cè)限0.3μM，范圍0–800μM）。

關(guān)鍵結(jié)果：

H?攝取率在實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組無(wú)顯著差異（Fig.2a），且與O?攝取無(wú)相關(guān)性（Supplementary Table 2）。

 

研究意義：

否定氫氣作為關(guān)鍵能源：推翻早期假設(shè)，明確ΣH?S（而非H?）是共生體主要電子供體。

解釋氫化酶功能矛盾：盡管氫化酶基因高表達(dá)且為網(wǎng)絡(luò)樞紐（Fig.3），但H?代謝不貢獻(xiàn)凈碳固定，暗示其可能參與：

 

胞內(nèi)氫循環(huán)（如暗發(fā)酵中維持氧化還原平衡）。

硫還原耦合產(chǎn)ATP（通過(guò)psrABC/sreABC基因）。

深化代謝模型：為Fig.5中氫化酶（Hyd1e,Hyd3b）與rTCA的共表達(dá)提供生理背景，提示其在能量應(yīng)激中的備用角色。

 

結(jié)論

雙途徑分工機(jī)制：

CBB主導(dǎo)富硫/氧區(qū)，驅(qū)動(dòng)硫氧化耦合的高效碳固定；

rTCA在限硫/氧時(shí)激活，聯(lián)姻氫化酶與異化硝酸鹽還原維持代謝（Fig.5）。

環(huán)境適應(yīng)性：

雙途徑的模塊化調(diào)控（如限硫時(shí)rTCA-Hyd1e上調(diào)）增強(qiáng)對(duì)熱液動(dòng)態(tài)環(huán)境的魯棒性（Extended Data Fig.5）。

 

生態(tài)意義：

超高碳固定速率（24μmol g?1h?1）是雙途徑共存的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)，支撐管狀蠕蟲(chóng)群落的高生物量。