Новости

Nov 20, 2023

Различные геномные маршруты лежат в основе перехода к специализированному симбиотическому образу жизни в глубоких

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2814 (2023) Цитировать эту статью

Доступы 1966 года

51 Альтметрика

Подробности о метриках

Бактериальные симбиозы позволяют кольчатым червям колонизировать экстремальные экологические ниши, такие как гидротермальные источники и водопады китов. Тем не менее, генетические принципы, поддерживающие эти симбиозы, остаются неясными. Здесь мы показываем, что различные геномные адаптации лежат в основе симбиоза филогенетически родственных кольчатых червей с различными стратегиями питания. Уплотнение генома и обширные потери генов отличают гетеротрофный симбиоз костоеда Osedax франкпресси от хемоавтотрофного симбиоза глубоководных Vestimentifera. Эндосимбионты Оседакса компенсируют многие метаболические недостатки хозяина, включая потерю путей рециркуляции азота и синтеза некоторых аминокислот. Эндосимбионты Оседакса обладают глиоксилатным циклом, который может обеспечить более эффективный катаболизм питательных веществ, полученных из костей, и производство углеводов из жирных кислот. В отличие от большинства Vestimentifera, гены врожденного иммунитета редуцированы у O. Frankpressi, у которого, однако, наблюдается экспансия матриксных металлопротеаз для переваривания коллагена. Наше исследование подтверждает, что различные пищевые взаимодействия по-разному влияют на эволюцию генома хозяина в узкоспециализированных симбиозах.

Симбиозы сформировали жизнь на Земле, от зарождения эукариотической клетки до образования горячих точек биоразнообразия, таких как коралловые рифы1,2. Хемосинтетические симбиозы животных, при которых бактерии преобразуют неорганические соединения в органические вещества, повсеместно распространены в морской среде обитания3 и питают некоторые из наиболее продуктивных сообществ, например, вокруг гидротермальных источников4. Черви-сибоглиниды (Annelida) часто доминируют в глубоководной хемосинтетической среде посредством симбиоза с бактериями, приобретенными из окружающей среды5,6, которые взрослые особи содержат в специализированном органе, называемом трофосомой7. Несмотря на экологическую значимость, генетические признаки хозяина, поддерживающие эти симбиозы, изучены только у Vestimentifera8,9,10, одной из четырех основных линий Siboglinidae (рис. 1а). Геномы Lamellibrachia luymesi8, Paraescarpia echinospica9, Riftia pachyptila10 и Ridgeia piscesae11 выявили сложное молекулярное взаимодействие между Vestimentifera и их эндосимбионтами для удовлетворения их потребностей в питании12. Например, хозяева потеряли гены, участвующие в биосинтезе аминокислот8,10,11 и катаболизме углеводов9, но расширили семейства генов, участвующих в транспорте питательных веществ8, газообмене8,9,10,13,14, врожденном иммунитете9,11 и лизосомальном пищеварении8,9, 10,15. С другой стороны, имеется геномная информация по эндосимбионтам большинства основных клад Siboglinidae, включая Vestimentifera, Osedax и Frenulata16,17,18. Эндосимбионты Vestimentifera и Frenulata являются миксотрофами19 и демонстрируют разнообразный метаболический репертуар для производства энергии (например, восстановительный цикл трикарбоновых кислот у эндосимбионтов Vestimentifera) и биосинтеза питательных веществ, который дополняет метаболические дефициты, по крайней мере, вестиментиферного хозяина16,17. Кроме того, у эндосимбионтов Siboglinidae распространено увеличение генетического репертуара, позволяющего заражать и уклоняться от иммунитета хозяина16,17,18, транспортировать питательные вещества18 и метаболизировать соединения азота16,17. Примечательно, что многие из этих генетических изменений также встречаются у других отдаленно родственных хемосимбиотических животных, включая двустворчатых моллюсков20, брюхоногих моллюсков21 и клителлятных кольчатых моллюсков Olavius ​​algarvensis22. Таким образом, разрозненные группы животных конвергентно развили сходные генетические механизмы для поддержания различных хемосинтетических симбиозов в морских экосистемах.

a Siboglinidae — разнообразная клада кольчатых червей, развившаяся в результате хемосинтетического симбиоза (слева). Внутри Siboglinidae есть четыре основные линии, а именно Frenulata, Osedax, Sclerolinum и Vestimentifera. Хемолитоавтотрофия встречается у Frenulata, Sclerolinum и Vestimentifera, которые связаны с гаммапротеобактериями, которые используют серу или метан для производства органических соединений во множестве морских экосистем, от восстановления отложений до просачивания метана и гидротермальных источников (правая часть панели). Напротив, черви Osedax (например, O. Frankpressi; b, c) вторично развили гетеротрофную ассоциацию с Oceanospirillales для использования разлагающихся костей позвоночных. Геномная основа эволюции этих пищевых симбиозов у ​​Siboglinidae неясна (знаки вопроса слева), поскольку геномная информация существует только для хозяев Vestimentifera (зеленые кружки справа). Изучаемые здесь виды выделены жирным шрифтом. б, в Фотографии O. франкпресси в китовой кости (б; наконечники стрел указывают на О. франкпресси) и взрослой взрослой самки (в). O. франкпресси селится и колонизирует разлагающиеся кости позвоночных (б). Там задняя часть тела стабильно заражается бактериями Oceanospirillales, приобретенными из окружающей среды. Эта часть тела (так называемые корни) содержит бактерии и растет, проникая в кость, растворяя органические компоненты. Эти питательные вещества поглощаются и транспортируются к бактериоцитам, содержащим эндосимбионтов, которые будут размножаться и служить пищей для червя. Впереди от корневой ткани расположены репродуктивные яйцеклетки, а на голове две пары щупиков.