近日，中国科学院海洋研究所李超伦课题组联合中国科学院生物物理研究所孙飞课题组，采用体电子显微学技术（vEM），对深海偏顶蛤稚贝各组织含菌细胞进行连续切片扫描电镜图像的采集，通过分割重建和形态学统计，结合荧光原位杂交检测和超微结构分析，研究其与体内化能自养细菌的共生关系特征，首次构建了我国南海F冷泉区代表性深海贻贝Gigantidas platifrons幼体中不同组织部位的含菌细胞结构，并比较了鳃部含菌细胞和非鳃部含菌细胞在三维结构上的差异。相关研究成果以“3D structural analysis of bacteriocytes in a deep-sea mussel Gigantidas platifrons with methanotrophic symbionts”为题于2024年11月27日在线发表在《The Innovation Geoscience》上。
深海生态系统是地球上最大的生态系统，拥有复杂多样的独特环境。深海贻贝是深海化能合成生态系统的重要营造者。深海贻贝与体内的化能自养细菌建立了稳定的共生关系，形成了独特的含菌细胞。深海贻贝为共生菌提供稳定的能量代谢界面，作为回报，共生菌向宿主提供生存所需的有机碳源。然而，这种互惠稳定的共生关系的建立过程、相互作用、含菌细胞中共生菌的维持补充机制，以及与宿主细胞之间的营养转移方式等问题尚不清楚。本研究以台西南福尔摩沙冷泉区原位采集的单一共生甲烷氧化型的深海偏顶蛤Gigantidas platifrons为研究对象。研究采用一种体电子显微学技术：自动切片收集扫描电镜成像技术（AutoCUTS-SEM），对深海偏顶蛤稚贝各组织含菌细胞进行连续切片扫描电镜图像的采集。通过图像处理、自动分割和三维重建及形态学统计，结合荧光原位杂交检测和超微结构分析，刻画了各组织含菌细胞及亚细胞组分的精细三维结构，揭示了各组织含菌细胞各细胞组分的层次分布规律，尤其是鳃部含菌细胞。共生菌所在腔室及骨架的三维重建证明共生菌腔室互相连通形成通道系统，贯穿遍布整个含菌细胞内部，具备与外界环境相连的多个途径。而且研究发现溶酶体主动消化共生体是成贝时期深海偏顶蛤鳃部含菌细胞获得营养供应的主要方式；然而，在共生关系建立早期，鳃部含菌细胞内可能存在多种营养供应方式，包括共生体主动分泌囊泡运输、溶酶体主动消化共生体以及共生体的裂解。裂解共生菌为宿主细胞提供大量的营养物质，同时维持宿主细胞生长与共生体种群增长的动态平衡。此外，不同组织来源的含菌细胞三维重建和形态学统计分析显示，鳃部含菌细胞的共生菌总量远远多于其他组织部位，且具备更高的形态复杂性。超微结构分析显示，相比其他组织部位的含菌细胞，鳃部含菌细胞具备更完善的共生菌维持和补充机制，这可能是深海偏顶蛤共生菌分布范围发生特化现象的重要原因。综上，本研究通过体电子显微学技术采集深海偏顶蛤含菌细胞的连续切片电镜图像，形成最全面组织来源的数据集，通过分割和三维重建刻画了深海偏顶蛤稚贝各组织上皮含菌细胞的精细三维结构，由此揭示了深海偏顶蛤共生关系建立早期鳃部含菌细胞可能存在的多种营养传递方式，并首次提出鳃部含菌细胞中内共生菌的转化、维持和补充模型，对解释深海偏顶蛤共生菌分布范围的特化现象和深海偏顶蛤的环境适应性的形成具有重要意义。
中国科学院海洋研究所钟兆山博士、中国科学院生物物理研究所研究生孙文浩、研究员张艳博士为该论文的共同第一作者。中国海洋研究所李超伦研究员（现任中国科学院南海海洋研究所所长）、王敏晓研究员、中国科学院生物物理研究所孙飞研究员（现任中国科学院广州生物医药与健康研究院副院长）、张艳研究员为该论文的共同通讯作者。电镜样品制备、数据收集和三维重建工作在中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心完成。原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2024.100110
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