科大發現深海軟體動物全新「宿主—細菌」共生結構

香港科技大學 （科大）最近在南海冷泉的深海軟體動物體內，發現一種全新的特化細胞結構，專門用於維持細菌的共生關係。該研究不僅揭示了深海生物適應近乎無氧極端環境的生物機制，更為化能共生、細胞器演化及深海生態系統等重要研究領域，開闢了嶄新的研究方向。

研究由科大海洋科學系講座教授錢培元教授帶領，聯同中國海洋大學孫進教授、香港浸會大學（浸大）邱建文教授團隊及國內外多支研究團隊合作完成。研究成果已於國際學術期刊《Nature Communications》上發表，論文題為「A multilamellar organelle for chemosymbiosis in an aplacophoran mollusc adapted to anoxic cold seep sediment」。

棲息於深海的「神龍毛皮貝」

是次研究對象為曾被評選為「2024年度全球十大海洋新物種」之一的「神龍毛皮貝」（Chaetoderma shenloong）。作為一種棲息於南海冷泉區的深海軟體動物，神龍毛皮貝隸屬於軟體動物門尾腔綱（Caudofoveata），體長可達150毫米以上，體型顯著大於其相近物種。

冷泉區雖然終年缺乏陽光，卻含豐富甲烷和硫化氫等化學物質。在這樣極端的環境下，許多生物不再依賴光合作用，而是透過與化能合成細菌共生維持生存能量。過往研究顯示，深海貽貝、管狀蠕蟲及白瓜貝等大型化能共生動物，通常是在細胞內為共生菌提供棲息空間。然而，科學界一直未有明確證據證實動物能夠演化出專門維持細菌共生的細胞器，而此研究首次提供相關線索。

團隊在是次研究中發現，神龍毛皮貝主要棲息於海床表面以下數十厘米深的泥層中，當中近乎沒有氧氣並富含硫化氫，對大多數動物而言屬極端環境，可見神龍毛皮貝已演化出獨特的適應機制。

發現全新特化細胞器「龍珠」

為了解神龍毛皮貝如何在極端環境中生存，研究團隊結合解剖學分析、顯微電腦掃描及三維影像重建技術，對身體結構進行深入研究。結果發現，神龍毛皮貝的消化系統與一般軟體動物存在顯著差異：其齒舌已大幅退化，中後腸和肛門幾乎完全消失，取而代之的是一個非常發達的消化腺系統，幾乎佔據了整個身體的大部分空間。研究進一步發現，這些消化腺內聚集了大量共生細菌，這正是神龍毛皮貝獲取養分和能量的最核心來源。

團隊其後在其共生細菌中發現了全新的細胞共生菌結構，其球形結構直徑約10至15微米，由超過20層膜包圍，內部容納數百至上千個硫氧化共生菌。因其形狀上像一顆被層層包裹的圓珠，團隊亦以拉丁文的「龍珠」（dracosphera）為其命名。

研究進一步發現，龍珠內都聚集大量硫氧化細菌，單一宿主細胞平均可容納超過1,600個共生菌。值得注意的是，龍珠並不具備一般細胞常見的細胞核和溶酶體等結構，因此並非普通細胞，也不像一般消化囊泡。研究人員認為，龍珠是一種專門用於容納和維持共生菌的特化結構，反映神龍毛皮貝與共生菌之間已建立高度緊密的共生關係。

龍珠助適應缺氧環境

為解析龍珠的功能，研究團隊深入分析了神龍毛皮貝及其共生細菌的基因組。結果顯示，該共生細菌已演化出適應低氧適應能力，即使在氧氣極度匱乏的環境下，仍能維持正常代謝。然而，神龍毛皮貝必須棲息於海底的深層泥土中，方能吸收硫化氫等化學物質以供養體內的共生細菌。由於這類泥層的含氧量極低，使宿主和共生菌皆面對嚴峻的生存挑戰。

團隊推測，龍珠外圍由多層膜組成的特殊結構，可能有助調節氧氣在體內的分布。這些多層膜或像一道天然屏障，減慢氧氣擴散速度，讓有限的氧氣能優先供應宿主細胞使用，同時維持共生系統正常運作。不過，有關機制仍有待進一步研究確認。

研究人員發現，龍珠可能也參與宿主與共生菌之間的營養交換，在其共生區域周圍存在大量與消化相關的細胞結構和酶類活性訊號，顯示宿主有機會透過分解部分共生菌，獲取自身無法製造的重要營養物質。這種共生的關係，讓神龍毛皮貝能夠在資源匱乏的深海環境中生存。

研究促進演化生物學及深海生態研究

科學家一直相信，細胞之間的共生關係在生命演化過程中扮演重要角色。例如今日存在於動植物細胞中的線粒體和植物細胞內的葉綠體，都被認為源自遠古微生物與宿主長期共生後逐步演化而成。研究團隊認為，龍珠展示了動物與共生細菌間嶄新的合作模式，並為研究細胞器如何形成，以及複雜生命如何透過共生關係演化出新功能，提供了重要線索。

除了演化生物學外，研究亦有助加深科學界對深海冷泉生態系統的認識。研究團隊在日本九州泥火山冷泉及南海北部F冷泉中發現神龍毛皮貝的蹤跡，結合墨西哥灣大型近緣物種的紀錄，大瞻推測這類依靠共生細菌生存的生物，可能廣泛分布於全球多個深海冷泉區。這些生物可能在深海甲烷、硫及碳循環中，很可能扮演着維持冷泉生態系統運作中發揮重要作用。隨着人類對深海環境認識不斷加深，這些過去鮮為人知的生物，或將為我們理解地球生命演化及海洋生態系統運作，帶來更多新發現。

是次研究的共同通訊作者為孫進教授（中國海洋大學）、錢培元教授（廣州海洋實驗室/科大）和邱建文教授（浸大）；共同第一作者包括李雲龍博士（原中國海洋大學博士後）和陳充高級研究員（日本海洋科學技術研究開發機構，JAMSTEC）；劉旭博士（中國海洋大學）、李盟功博士生（中國海洋大學）、閆國永博士（廣州海洋實驗室）、周海雲教授（中山大學）、王慧碩士（中國海洋大學）、鄭曉姍博士（中國科學院青島生物能源與過程研究所），劉姍姍博士（華大基因），陶影昊工程師（蔡司），張倪工程師（蔡司），褚菁宜（中國海洋大學），李一璇博士（浸大）和Hiromi K. Watanabe（JAMSTEC）參與並作出重要貢獻。研究亦獲國家重點研發計劃、嶗山實驗室、山東省自然科學基金會、廣州實驗室以及香港特別行政區政府等多方支持。