导读

滨海与深海生态环境研究中心团队在Frontiers in Microbiology上发表了题为：“Comparative metagenomic analysis reveals the adaptive evolutionary traits of siboglinid tubeworm symbionts”的研究论文。该研究表征了从深海热液喷口、冷泉渗漏和深海沉积物中收集的26个Siboglinid管虫共生菌的基因组。主要阐明了在不同属水平上的管虫共生菌的代谢特征，加深了不同生境和宿主如何影响共生菌进化的理解。

✦摘要✦

在本研究中，我们表征了从深海热液喷口、冷泉渗漏和深海沉积物中收集的26个Siboglinid管虫共生菌的基因组。通过系统发育分析，这26个共生菌基因组在属水平上可分为五个明显不同的类群。研究结果揭示了共生菌分类的显著多样性，这种多样性受生境和宿主的影响，且不同属的共生菌基因组特征展现出独特的进化策略。管虫共生菌具有丰富的功能代谢多样性，包括碳、氮、硫代谢的化能自养能力，氢氧化能力，以及利用多种氨基酸、辅因子和维生素的化能异养能力。此外，共生菌的稳态机制和CRISPR-Cas系统是其生存的关键适应性特征。总体而言，本研究阐明了不同属水平管虫共生菌的代谢特征，深化了我们对不同生境和宿主如何影响共生菌进化的理解，为揭示共生菌适应极端环境的生存策略提供了重要见解。

✦引言✦

由于深海生物面临恶劣的环境条件，例如高压、黑暗、低氧含量、硫化物和重金属等有毒物质的存在，以及有限的食物供应，使得它们表现出多种适应机制。值得注意的是，有限的营养供应促使深海无脊椎动物与化学合成细菌形成共生关系，以确保获得足够的营养。为了维持高效的化能共生，宿主动物必须能够在组织、细胞和分子水平上与共生菌相互作用。宿主能够持续为共生菌提供必要的气体，如硫化物、甲烷、氧气和二氧化碳，以支持共生菌的快速生长。此外，宿主还需要通过选择性地消化一部分共生菌，然后提取和运输营养物质以供自身生长，同时控制共生菌种群数量。迄今为止，这种独特的共生关系（无脊椎动物和化能合成细菌之间）已成为理解动物-微生物相互作用的模型，并得到了深入研究。

先前的研究表明，生境类型影响化学合成共生菌的多样化，并且已经深入研究了共生菌与其宿主之间的相互作用机制。宿主提供共生菌生存所需的基本条件和环境，例如营养来源，并影响共生菌的生理特征和适应性。相比之下，生境决定了环境条件的变化，例如温度、压力和化学成分，这对共生菌的适应性至关重要。然而，不同生境和管虫宿主的生态功能变化尚不清楚。考虑到各种Siboglinid管虫栖息在广泛的化学合成生境，从热液喷口、冷泉渗漏到深海沉积物环境，分析这些生境和不同管虫宿主中共生菌的多样性、代谢和进化关系对于揭示管虫共生菌的适应机制至关重要。

因此，本研究对南海海马冷泉大型管虫Paraescarpia echinospica和细管虫Sclerolinum sp.的共生菌基因组进行测序，结合全球采集的26个管虫共生菌基因组进行比较分析。通过比较五个属之间的共生菌的系统发育关系、基因组特征、功能代谢多样性、营养合成能力和稳态维持机制，揭示了它们在极端环境下的适应策略。

成果简介

01 深海管虫的共生菌的系统发育分析

为探究深海管虫共生体的ANI相似性差异和进化关系，本研究构建了siboglinid共生体的系统发育树。如图1所示，系统发育树和GTDB-TK分类结果一致，形成五个进化分支和五个属别QGON01（16个共生菌）、Candidatus Endoriftia（5个共生菌）、Candidatus Vondammii（3个共生菌）、Sulfurovum（1个共生菌）和SZUA-229（1个共生菌）。值得注意的是，来自热液喷口和冷泉的L. anaximandri管虫共生菌均属于QGON01属。该研究结果表明，管虫共生菌的相似性主要受生境和宿主种类驱动，其中宿主种类对共生菌进化的影响更为显著，这凸显了宿主选择对共生菌生存的关键作用。

Fig. 1 Phylogenetic tree of 26 tubeworm symbionts.

02 管虫共生菌的基因组特征

不同属的管虫共生菌的基因组特征如图2所示。其中，来自冷泉的QGON01共生菌的平均基因组大小显著大于来自热液的Candidatus Endoriftia共生菌（Kruskal-Wallis检验，p < 0.01）（图2a）。此外，Vestimentiferan管虫共生菌基因组的GC含量呈现出与环境相关的模式，来自热液的Candidatus Endoriftia共生菌的GC含量显著高于其他属（Kruskal-Wallis检验，p < 0.01）（图2b）。在管虫共生菌中，基因组大小与基因密度之间的关系是反比的，较大的基因组具有较小的基因密度（Kruskal-Wallis检验，p < 0.05）（图2c）。此外，Candidatus Vondammii共生菌的基因组具有最高的基因密度，但编码密度最低（Kruskal-Wallis检验，p < 0.05）（图2d）。这是因为Candidatus Vondammii共生菌丧失了许多基因，导致代谢能力发生简化。

Fig. 2 Genomic characterization of siboglinid symbionts at the genus level. (a) Estimated size of the symbiont genome. (b) GC content of the symbiont genome. (c) Gene density of the symbiont genome, represented by the number of genes per 1,000 bp. (d) Coding gene density in the symbiont genome.

03 管虫共生菌的功能表征

通过eggNOG-mapper对管虫共生菌进行蛋白序列功能分类和注释（图3a），结果显示了管虫共生菌展现出一种独特的互利共生策略，与宿主共同适应环境变化。而核心功能代谢分析揭示了这些共生菌在极端环境中的关键适应性特征和营养获取策略（图3b），表明管虫共生菌能够利用不同的底物条件，进化出最佳的能量获取机制。值得注意的是，硫代谢的功能基因在这些共生菌中高度保守。由于共生菌不与外部环境进行直接互动，所有底物和产物均由宿主提供或排出。我们的结果显示这三种类型的共生菌（Candidatus Endoriftia、QGON01和SZUA-229）在能量代谢上表现出轻微差异，这表明无论外部环境如何，管虫宿主Vestimentiferan和Frenulata为共生菌提供了稳定的内部环境，从而维持了其正常的功能和生长。而Candidatus Vondammii共生菌对环境变化高度敏感，并受到原位环境和Sclerolinum宿主的影响，表现出不同的硫氧化和氢氧化策略。

Fig. 3 Functional analyses of siboglinid symbionts. (a) Map illustrating the number of genes functionally categorized and annotated by eggNOG-mapper protein sequences. (b) Map of the central metabolic pathways in symbionts from different genera.

04 管虫共生菌的原核防御系统

CRISPR-Cas系统由成簇的规律间隔短回文重复序列（CRISPR）和相关蛋白（Cas）组成。如图4所示，只有Vestimentiferan管虫的共生菌拥有与CRISPR-Cas相关的基因，这可能在保护共生菌免受噬菌体感染中发挥关键作用。目前的研究表明，Sulfurovum共生菌缺乏与原核防御系统相关的多个基因，SZUA-229和Candidatus Vondammii共生菌也缺乏与CRISPR-Cas系统相关的基因（图4）。此外，只有Candidatus Endoriftia共生菌被发现拥有CRISPR-Cas系统的csd1、csd2和cas5d基因（I-C型）。Candidatus Endoriftia和QGON01共生菌中Cas4基因的存在使这些共生细菌能够对未来的病毒防御生成功能性记忆。同时，来自冷泉区的管虫L. anaximandri的QGON01共生菌含有一种III-B型CRISPR-Cas复合体（cmr123456），能够进行RNA切割和RNA激活的DNA切割，从而在适应性免疫中发挥关键作用。

Fig. 4 Gene distribution in siboglinid symbionts’ prokaryotic defense systems. This figure illustrates the presence of genes in the symbionts’ prokaryotic defense system.

结论与展望

本研究在属水平上对Siboglinid管虫共生菌进行了比较分析，以研究不同生境和管虫类群之间的共生菌的功能异质性和进化关系。研究结果表明，管虫共生菌的遗传性状主要受其生境和宿主的影响。研究发现，不同属共生菌的基因组表现出显著差异，反映了生境和管虫物种的影响。功能代谢分析强调了管虫共生菌在极端环境中的关键适应性和营养来源。Siboglinid 共生菌可以适应性利用不同的底物条件，在不同环境中进化出最佳的能量获取机制。此外，共生菌稳态机制和原核防御系统相关基因的表达在适应性生存中起着至关重要的作用。总体而言，这项研究的结果为不同属的Siboglinid管虫共生菌的适应性进化过程提供了见解。

原文信息

Jinyi Liu, Yingli Zhou, Jing-chun Feng*, Chaofeng Cai, Si Zhang. Comparative metagenomic analysis reveals the adaptive evolutionary traits of siboglinid tubeworm symbionts. Frontiers in microbiology, Volume 16-2025. doi: 10.3389/fmicb.2025.1533506