科大研究團隊揭示深海化能共生體系應對環境變化的分級適應機制
香港科技大學（科大）海洋科學系講座教授錢培元教授領導的研究團隊與國際合作夥伴在深海化能共生體系應對環境變化的機制研究中取得重大突破。研究揭示，深海共生生物的代謝靈活性，加上宿主對共生菌群的精細調控，能共同維持宿主的能量穩態，這提供了重要的原位證據，以理解深海冷泉化能共生體系如何在能源供應波動下保持韌性，並凸顯了此分級適應機制在維持冷泉生態系統穩定性中的關鍵作用。
研究由科大、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）（廣州海洋實驗室）、中國海洋大學、中國科學院海洋研究所及加拿大卡爾加里大學協作完成，是獲聯合國認可的兩項國際大科學計劃「CliMetS」和「MOCSI」框架下的重要成果。研究成果近日已發表於國際知名期刊《Science Advances》，論文題為「In situ evidence of tiered adaptations buffering a chemosynthetic clam holobiont against environmental sulfide fluctuations」。
在深海熱液噴口、甲烷冷泉等化能合成生態系統中，硫化氫是支撐生物群落的重要能量基礎，但其濃度因深海構造活動、滲漏強度及沉積物厭氧甲烷氧化等過程而產生顯著波動。長久以來，科學界對深海共生生物如何適應此類動態環境，以及宿主與共生生物如何協同維持整個生態系統穩定，一直缺乏來自原位實驗的直接證據。
南海海馬冷泉區有多個處於不同發育階段的滲漏位點，被視為研究生物適應環境變化的「天然實驗室」。研究團隊選取俗稱「白瓜貝」的南海海馬冷泉優勢蛤類（Archivesica marissinica）及其硫氧化共生菌作為研究對象，結合深海原位移植和原位樣品固定技術，分別在HM-3和HM-2兩個位點，將「白瓜貝」從原生沉積物移至距海底約0.5米以上的移植籠內，使其無法繼續接觸富含硫化氫的沉積物，藉此模擬硫化氫供給下降、導致能量和營養攝取減少的生存環境，其中HM-2的硫化氫限制強度較大，HM-3則相對溫和。
研究團隊結合宏基因組、轉錄組、蛋白組、定量PCR、原位雜交、透射電子顯微鏡及分子結構預測等技術，從共生菌代謝、宿主共生調控及資源輸送等多個層面，揭示共生體系的分級適應機制。
研究結果發現，硫化氫供應減少後，率先促使共生菌出現顯著的代謝重編程。轉錄組和蛋白組的結果顯示，硫氧化相關通路如dsrAB、aprAB和sat受到抑制，而與硫代硫酸鹽氧化相關的soxXYZ基因簇表達上調，說明了當硫化氫的供應受限，共生菌能夠調整硫氧化代謝策略，並可能提高利用硫代硫酸鹽的能力，從而維持能量代謝和碳固定功能。這種代謝可塑性有機會是共生體系應對短期硫化氫限制的第一道防線。
研究亦顯示宿主對共生菌的調控隨硫化氫限制程度而有所變化。在硫化氫限制相對溫和的HM-3位點，共生菌數量保持穩定，同時宿主「內體成熟」（endosomal maturation）及「內體—溶酶體融合」（endosome-lysosome fusion）的相關通路受到抑制，這表明宿主可能減低共生菌在細胞內的降解和周轉，從而有助於維持共生菌群的穩定性，反映宿主在較溫和的硫化氫限制下會優先維持共生關係。在硫化氫嚴重受限的HM-2位點，共生菌數量則顯著下降，透射電子顯微鏡亦證實出現溶酶體對共生菌的消化現象，這表明如宿主身處相對嚴峻的資源限制下，或透過增加共生菌周轉，有限度獲取營養來源，提高存活機會。
研究亦發現「白瓜貝」的鰓組織有較強的硫代謝能力，並高度表達硫代硫酸鹽硫轉移酶（TST）等關鍵酶。TST能將有毒的硫化氫轉化為硫代硫酸鹽，硫代硫酸鹽則可被共生菌用於硫氧化代謝，連同共生菌的soxXYZ基因簇的表達上調，結果反映宿主在硫化氫解毒過程中所產生的硫代硫酸鹽可能成為共生菌的替代能源，從而形成「宿主解毒—共生菌利用」的潛在代謝協同效應，為科學界理解宿主與共生菌如何在資源受限的環境中進行代謝互補提供了新線索。
此外，研究團隊探討了「白瓜貝」血紅蛋白在氣體輸送中的潛在作用。血紅蛋白Hb1和Hb2主要位於血細胞，並在足部和鰓組織高度表達。蛋白質結構預測和分子對接結果均顯示，血紅蛋白複合體對硫氫根的結合能力略高於其與氧氣的結合能力，反映血紅蛋白複合物可能參與硫化氫和氧氣的結合與輸送過程，為理解「白瓜貝」體內氣體輸送機制提供了新的分子線索。
論文的共同通訊作者錢培元教授表示︰「綜合上述多方面的發現，我們相信『白瓜貝』及其共生菌形成了一種多層分級適應機制，使深海化能共生體系可隨周邊環境變化的脅迫程度，作出適當的資源分配策略，從而在深海的極端環境中維持正常功能及生存。此外，是次研究所建立的原位實驗模式，為日後探究棲息於深海極端環境的生物，如何對自然環境變化作出真實分子反應，提供了新的研究路徑，亦對理解全球深海冷泉生態系統如何適應環境變化、維持生態功能與生物多樣性提供了新的科學依據。」
論文共同通訊作者包括錢培元教授（科大、廣州海洋實驗室）、孫進教授（中國海洋大學）和Casey Hubert教授（加拿大卡爾加里大學）。論文共同第一作者則包括蘭奕博士（科大、廣州海洋實驗室、加拿大卡爾加里大學）、閆國永博士（科大、廣州海洋實驗室）和王昊博士（廣州海洋實驗室、中國科學院海洋研究所）。
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