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在距离海平面千米的深海，阳光无法抵达，海水冰冷，压力极大。然而，在环境极端的“海底沙漠”中，却生长着形态各异、结构复杂的深海珊瑚，构建起生机勃勃的海底“秘密花园”。
没有阳光、食物稀少，深海珊瑚的能量从何而来？
中国水产科学研究院黄海水产研究所、香港科技大学、华大生命科学研究院合作团队发现，生存在深海的伪交替深海黑珊瑚体内存在一套高效、稳定、功能互补的“共生系统”，可以适应深海寡营养、低温、高压的环境。近日，研究成果发表于《细胞-宿主与微生物》。
研究从宿主与共生菌两个层面系统揭示了伪交替深海黑珊瑚营养互补和免疫稳态协同维持机制，为解析其在极端环境下的适应性策略与生态系统维持机制提供了关键科学依据。
能量从何而来？
生活在浅海的珊瑚色彩斑斓、生机勃勃，这离不开其体内共生的虫黄藻。虫黄藻通过光合作用将太阳能转化为化学能，为珊瑚提供90%的所需能量。然而，在没有阳光、食物贫瘠的深海之中，珊瑚得以生存的能量从何而来？
过去，科学家认为，深海珊瑚可能以从上层海水中漂下来的海洋生物碎屑为生，但在食物极其稀少的深海，光靠“残羹剩饭”真的够吗？科学家推测真正的“秘密武器”可能藏在那些看不见的微生物中，于是把目光转向了深海珊瑚体内。
“在此前的研究中，我们大概知道有些细菌和古菌以共生形式住在珊瑚体内，却不知道它们和深海珊瑚到底是如何分工的。”论文共同通讯作者、华大生命科学研究院研究员孟亮表示。
研究人员对比研究了十余种深海珊瑚，发现伪交替深海黑珊瑚体内的共生菌种类相对较少，且每种共生菌的丰度都比较高，最适合用于研究共生菌。因此，研究团队以伪交替深海黑珊瑚为模型，对深海珊瑚进行了“地毯式”的基因解码，构建了宿主基因组、共生菌组成与多样性、优势共生菌基因组、空间定位、转录活性的全链条分析体系，揭示了深海珊瑚共生体系的运作模式。
研究人员通过解析高质量的伪交替深海黑珊瑚基因组发现，其与物质转运、免疫与炎症反应、溶酶体功能等相关的基因家族发生了显著“扩张”。“这说明，为适应深海的极端环境，深海珊瑚不仅强化了运输营养物质的能力，还强化了自身的抵抗能力和代谢能力，为高效利用内部资源做好了准备。”孟亮表示。
研究还发现，伪交替深海黑珊瑚自身缺乏多种氨基酸与部分维生素的完整合成途径。“既然自身不能转化营养物质，那它必然依靠外部供应才能生存。这一发现从遗传学角度暗示，伪交替深海黑珊瑚的生存或许依赖共生菌实现营养互补。”孟亮告诉《中国科学报》。
通过对南海与西太平洋跨不同水深与地理区域的14个样本进行共生菌组成与多样性分析，研究团队证实，伪交替深海黑珊瑚维系着一个独立于周边海水环境、组成简单且稳定的共生菌群。
深海珊瑚的“神仙队友”
既然伪交替深海黑珊瑚依赖共生菌群生存，那么这些“神仙队友”是如何与宿主分工合作的？
通过原位杂交链式反应，研究团队发现，共生菌在伪交替深海黑珊瑚的水螅体中广泛分布，显著富集于中胶层。中胶层具有良好的通透性，且富含类吞噬的变形细胞，不仅有利于小分子物质的双向扩散与循环，还为共生菌提供了相对安全的微环境，使得物质循环、免疫规避、稳态维持能够在同一组织空间中协同实现。
研究人员对伪交替深海黑珊瑚体内4种核心的共生菌进行了测序分析，发现这群“神仙队友”虽然成员数量不多，但个个是精英，且分工明确。
首先是“首席营养师”——氨氧化古菌。这种菌类能够氧化宿主代谢产生的氨，驱动有机碳与多种氨基酸、维生素合成，并将它们供给宿主，从而实现解毒与营养供给双重功能。
其次是“金牌保健师”——研究团队发现了一种从未被报道过的共生菌群，这种菌类具有合成血红素、硫辛酸、谷胱甘肽及脂肪酸的潜力，兼具抗氧化应激与营养补给作用。
此外，还有两位“保镖”——两种柔膜菌。这两种柔膜菌的基因组高度简化，分别携带Ⅱ型CRISPR/Cas和3种限制-修饰（R-M）系统，就像“保镖”一样，为宿主构筑了抵御病毒入侵的防御屏障。
一种奇特的共存机制
体内有这样多功能的细菌，珊瑚的免疫系统为何不将它们视为“入侵者”而加以清除？宿主和共生菌是如何实现长期稳定、和平共处的？
研究人员揭示了一种伪交替深海黑珊瑚与共生菌群长期稳定共存的机制。通过构建宿主调控共生菌的分子模型，他们发现，珊瑚的内外胚层细胞通过TLR13等模式识别受体，像哨兵一样时刻监控着共生菌的状态。当接收到共生菌释放的特定分子信号后，模式识别受体会通过一个名为MyD88蛋白的“信号兵”启动免疫信号通路，诱导TNF-α等免疫因子的表达，从而实现适度清除、资源回收、数量调控的免疫稳态平衡。此外，C型凝集素、清道夫受体等其他模式识别受体也参与了该过程的精细调控。
“简单来说，就是伪交替深海黑珊瑚通过模式识别受体，时刻监控这群细菌的数量和状态。当细菌数量过多时，免疫系统会派出变形细胞进行适度清理，吞噬多余的细菌，甚至将其回收利用为营养。”孟亮解释道。
这一研究系统阐明了深海珊瑚营养供给、氨解毒、抗氧化、病毒防御、免疫稳态多重功能耦合的分子逻辑，为理解深海生态系统的物质循环、评估生物对极端环境的适应潜力及生态系统韧性提供了理论框架，将助力深海生物多样性评估和深海生物功能基因资源挖掘。（刁雯蕙）
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