Исследование раскрывает тесные взаимодействия хозяина и симбионта у глубоководных хемосинтетических трубчатых червей

Вестиментиферные трубчатые черви, уникальные обитатели глубин без пищеварительной системы, полагаются на симбиотическое партнерство с сульфид-окисляющими эндосимбиотическими бактериями (эндосимбионтами) для получения питательных веществ. Обитая в хемосинтетических экосистемах, таких как гидротермальные источники и холодные просачивания, эти черви содержат эндосимбионтов в специализированном органе — трофосоме, облегчая газообмен для питания микробов, производящих органическое вещество, что приводит к впечатляющему росту червей и формированию плотных сообществ.

Такие виды, как гигантский трубчатый червь Riftia pachyptila, демонстрируют исключительные темпы роста, с зафиксированным ежегодным увеличением длины трубки более чем на 85 см. Такая необычайная продуктивность предполагает высокоэффективный метаболический процесс, вероятно, обусловленный многочисленными адаптациями, совместно выработанными хозяином-червем и эндосимбионтами.

Чтобы раскрыть сложность взаимодействий хозяина и симбионта у этих удивительных глубоководных существ, совместная исследовательская группа из Института океанологии Китайской академии наук (IOCAS) и Гонконгского университета науки и технологий применила технологию секвенирования РНК единичных клеток.

Исследование опубликовано в Science Advances.

Исследователи и команда дистанционно управляемого подводного аппарата "Faxian" разработали систему глубоководной in situ фиксации единичных клеток, позволившую проанализировать трофосому глубоководного трубчатого червя Paraescarpia echinospica.

Секвенирование РНК единичных клеток в сочетании с дополнительными молекулярными анализами позволило построить клеточный атлас трофосомы червя. Результаты выявили различные популяции клеток в трофосоме, экспрессирующие гены, связанные с транспортом газов и метаболитов, что предполагает формирование биохимического градиента, облегчающего доставку субстратов для хемосинтеза от периферии трофосомы к её центру.

"Мы идентифицировали две различные популяции бактериоцитов, занимающие отдельные микроокружения в каждой дольке трофосомы", — сообщил доктор Ван Хао, первый автор исследования. "Эти результаты в совокупности демонстрируют точный контроль червя над распределением газов и метаболитов, создавая оксигенированное периферическое и гипоксическое центральное метаболическое микроокружение внутри трофосомы".

Интересно, что интегрированный анализ ключевых метаболических путей симбионтов указывает на пространственную корреляцию между их метаболическим состоянием и расположением внутри долек. Бактериоциты, находящиеся в богатой кислородом периферии, активно осуществляют фиксацию углерода — процесс производства органического вещества.

Напротив, те, что населяют гипоксический центр, вовлечены в денитрификацию, потенциально помогая хозяину утилизировать аммиачные отходы. Такая пространственная организация внутри крошечных долек трофосомы позволяет эффективно сочетать производство питательных веществ с детоксикацией отходов.

"Наше настоящее исследование проливает свет на общие принципы симбиоза и адаптации к среде у глубоководных животных и дает новое понимание взаимодействий между микробами и их животными хозяевами", — сказал доктор Ван.

"Рабочий процесс нашего исследования представляет новую экспериментальную парадигму для получения молекулярных характеристик. Этот подход может облегчить исследование биологической адаптации у различных немодельных организмов, особенно морских животных".