Co-expression analysis reveals distinct alliances around two carbon fixation pathways in hydrothermal vent symbionts

共表达分析揭示了热液喷口共生体中围绕两条碳固定途径的不同联盟

来源：Nature Microbiology | Volume 9 | June 2024 | 1526–1539


摘要核心内容

深海热液管状蠕虫Riftia pachyptila的内共生细菌"Candidatus Endoriftia"同时具备两种碳固定途径——卡尔文-本森-巴斯汉（CBB）循环和还原性三羧酸（rTCA）循环。本研究通过高压培养实验结合转录组、代谢速率测量及共表达网络分析，揭示两种途径在不同地球化学条件下的协调机制：rTCA与氢化酶和异化硝酸盐还原协同，CBB与硫氧化和同化硝酸盐还原协同。碳固定速率高达24μmol g⁻¹h⁻¹，表明双途径共存是维持高生产力的适应性策略。


研究目的

阐明两种碳固定途径（CBB和rTCA）在动态热液环境中的表达调控关系。

探究两种途径与其他代谢过程（硫、氮、氢代谢）的功能协同性。

量化共生体的净碳固定速率，评估双途径的生理意义。


研究思路

样本采集与模拟培养：

从东太平洋海隆（EPR）采集Riftia pachyptila，在高压呼吸仪（HPRS）中模拟原位温压和地球化学条件（图1d-f）。

设计多组处理：富硫/氧（replete）、限硫/氧（limiting）、无底物对照（control）（图1e）。

多维度数据测量：

底物摄取速率：ΣH₂S、O₂、H₂（使用丹麦Unisense电极等）。

碳固定速率：¹³C标记DIC（溶解无机碳）掺入生物量速率（Cinc）。

转录组分析：共生体组织mRNA测序（RNA-seq），差异表达（DE）和共表达网络（WGCNA）。

整合分析：

关联环境参数-基因表达-代谢速率，识别关键响应模块（如rTCA与氢化酶的协同）。



测量数据及其研究意义

底物摄取速率（ΣH₂S、O₂、H₂）

数据来源：Fig.2a

研究意义：

ΣH₂S与O₂摄取高度正相关，证实硫氧化需氧支持（经典能量代谢基础）。

H₂摄取率与O₂无相关性，且与对照组无差异，排除氢气作为主要电子供体的作用（修正传统假设）。

碳固定速率（Cinc）

数据来源：Fig.2a

研究意义：

最高达24μmol g⁻¹h⁻¹，超过多数化能自养群落，与高光合生物相当，证明双途径驱动超高生产力。

限硫条件下Cinc显著下降，凸显硫对碳固定的核心限制作用。

基因表达数据

差异表达（DE）：

数据来源：Fig.2b-c,Extended Data Fig.1

研究意义：

rTCA关键基因（aclA）在限硫时上调，CBB基因（cbbM）在缺氧时下调（Fig.2c），表明途径对环境扰动的差异化响应。

硫代谢基因在限硫/氧时下调，氢化酶与氮代谢基因上调（Fig.2b），揭示能量短缺时的代谢重塑。

共表达网络（WGCNA）：

数据来源：Fig.3,5


研究意义：

rTCA与氢化酶（Hyd1e）、异化硝酸盐还原（norCB,nosZ）强关联（金色/青绿色模块）；CBB与硫氧化（sox,fccA）、同化硝酸盐还原（narGHI）协同（粉色/樱桃色模块）（Fig.5），揭示途径特异性代谢联盟。

仅1个基因与双途径共享邻居，表明调控独立性（Fig.4）。

丹麦Unisense电极数据的详细解读


测量目标：溶解H₂浓度（使用Unisense H₂minisensor 500，检测限0.3μM，范围0–800μM）。

关键结果：

H₂摄取率在实验组与对照组无显著差异（Fig.2a），且与O₂摄取无相关性（Supplementary Table 2）。

研究意义：

否定氢气作为关键能源：推翻早期假设，明确ΣH₂S（而非H₂）是共生体主要电子供体。

解释氢化酶功能矛盾：尽管氢化酶基因高表达且为网络枢纽（Fig.3），但H₂代谢不贡献净碳固定，暗示其可能参与：

胞内氢循环（如暗发酵中维持氧化还原平衡）。

硫还原耦合产ATP（通过psrABC/sreABC基因）。

深化代谢模型：为Fig.5中氢化酶（Hyd1e,Hyd3b）与rTCA的共表达提供生理背景，提示其在能量应激中的备用角色。


结论

双途径分工机制：

CBB主导富硫/氧区，驱动硫氧化耦合的高效碳固定；

rTCA在限硫/氧时激活，联姻氢化酶与异化硝酸盐还原维持代谢（Fig.5）。

环境适应性：

双途径的模块化调控（如限硫时rTCA-Hyd1e上调）增强对热液动态环境的鲁棒性（Extended Data Fig.5）。

生态意义：

超高碳固定速率（24μmol g⁻¹h⁻¹）是双途径共存的进化优势，支撑管状蠕虫群落的高生物量。