Applied and Environmental Microbiology January 2020 Volume 86 Issue 1 e01522-19  Hydrogen Does Not Appear To Be a Major Electron Donor for Symbiosis with the Deep-Sea Hydrothermal Vent Tubeworm Riftia pachyptila

氫似乎并不是與深海熱液噴口管蟲Riftia pachyptila共生的主要電子供體

來源：Applied and Environmental Microbiology January 2020 Volume 86 Issue 1 e01522-19  

 

1. 論文摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過高壓呼吸測量和離體組織實(shí)驗(yàn)，首次證實(shí)盡管共生菌 "Candidatus Endoriftia persephone"基因組中存在氫化酶基因且表達(dá)活躍（圖6-7），但 氫氣（H?）并非Riftia pachyptila共生體系的主要電子供體：

 

 

 

生理功能驗(yàn)證：完整蠕蟲在高壓培養(yǎng)系統(tǒng)中未顯示顯著H?吸收（圖1），H?暴露未刺激氧氣消耗（圖2）或碳固定（圖3-4）。

 

 

 

 

離體實(shí)驗(yàn)佐證：營養(yǎng)體（trophosome）勻漿在H?存在下碳固定未增強(qiáng)（圖5），氫化酶活性檢測為陰性（表1）。

 

 

 

分子機(jī)制解析：氫化酶可能參與胞內(nèi)氧化還原平衡調(diào)節(jié)（如低氧條件下轉(zhuǎn)錄上調(diào)），而非能量代謝（圖7）。

 

核心結(jié)論：深海管狀蠕蟲共生體系依賴硫化物（ΣH?S）而非H?作為主要能量來源，警示組學(xué)數(shù)據(jù)推斷功能需結(jié)合生理驗(yàn)證。

 

2. 研究目的

 

1.驗(yàn)證 "Ca. Endoriftia persephone"能否利用 H?作為化能自養(yǎng)電子供體（基于其基因組含氫化酶基因）。

2.探究H?在深海共生體系中的 生態(tài)能量貢獻(xiàn)（熱液環(huán)境H?濃度可達(dá)25μM）。

3.辨析氫化酶基因表達(dá)與實(shí)際生理功能的 潛在差異。

 

3. 研究思路

 

1.高壓模擬原位環(huán)境：

 

定制高壓呼吸系統(tǒng)（圖8）模擬深海條件（27.5 MPa, 15°C），通入H?或ΣH?S（表3）。

 

 

 

2.多層次功能驗(yàn)證：

 

整體水平：測量完整蠕蟲H?/O?消耗率（圖1-2）、13C標(biāo)記DIC（溶解無機(jī)碳）固定（圖3-4）。

 

組織水平：離體營養(yǎng)體勻漿碳固定實(shí)驗(yàn)（圖5）、氫化酶活性檢測（表1）。

3.分子機(jī)制關(guān)聯(lián)：

 

基因組/轉(zhuǎn)錄組分析氫化酶基因類型與表達(dá)（圖6-7，表2）。

 

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) H?吸收與碳固定（圖1, 3-4）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

H?吸收率（圖1）：R. pachyptila組（0.001±0.002 μmol·g?1·h?1）與空白對照組無差異（P>0.05）。

 

碳固定率（圖3）：H?處理組（0.02±0.01 μmol C·g?1·h?1）較ΣH?S組（0.46±0.12）低23倍。

 

意義：直接否定H?作為主要能量來源的假說，確立ΣH?S的核心地位。

 

(2) 離體營養(yǎng)體響應(yīng)（圖5）

 

 

數(shù)據(jù)：勻漿添加H?后碳固定率（0.034±0.004 nmol CO?·min?1·mg?1）與對照組（0.037±0.002）無差異，而ΣH?S顯著提升（0.067±0.005）。

 

意義：排除宿主干擾，證實(shí)共生菌自身無法利用H?驅(qū)動碳固定。

 

(3) 氫化酶活性與表達(dá)（表1, 圖7）

 

 

數(shù)據(jù)：

 

氫化酶活性（表1）：所有營養(yǎng)體樣本活性≈0（對照菌 Hydrogenovibrio thermophilus活性1.48 μmol H?·min?1·mg?1）。

 

轉(zhuǎn)錄水平（圖7）：1e型氫化酶基因在低氧+H?條件下表達(dá)上調(diào)（log?FC=3.5）。

 

意義：酶活性缺失與基因表達(dá)矛盾，提示氫化酶可能參與 胞內(nèi)氧化還原調(diào)控（如低氧應(yīng)激）而非能量獲取。

 

5. 結(jié)論

 

1.H?非主要能量來源：生理實(shí)驗(yàn)一致表明R. pachyptila共生體系 無法利用H?驅(qū)動碳固定或呼吸作用。

2.氫化酶功能重定位：基因組中的[NiFe]氫化酶（1e/3b型）可能通過H?/H?循環(huán)維持 胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)（尤其低氧時）。

3.方法論警示：組學(xué)數(shù)據(jù)（基因/轉(zhuǎn)錄/蛋白）不可直接等同生理功能，需結(jié)合原位模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

 

6. 丹麥Unisense電極的核心價(jià)值

(1) 技術(shù)突破性應(yīng)用

 

 

原位H?動態(tài)監(jiān)測：

 

采用 Unisense H?微傳感器（檢測限0.3 μM）實(shí)時測量高壓培養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)/出口溶解H?濃度（方法章節(jié)）。

 

關(guān)鍵意義：實(shí)現(xiàn) 深海壓力環(huán)境（27.5 MPa）下H?通量的精準(zhǔn)定量（圖1數(shù)據(jù)基礎(chǔ)），排除氣相色譜等離線方法的擾動誤差。

 

(2) 科學(xué)貢獻(xiàn)

 

 

定量否定H?代謝假說：

 

Unisense數(shù)據(jù)證實(shí)R. pachyptila的H?吸收率與背景消耗無差異（圖1），為"無功能"結(jié)論提供 直接證據(jù)。

 

高靈敏度監(jiān)測確保實(shí)驗(yàn)條件可控（進(jìn)樣H?=114±5 μM），排除"濃度不足"質(zhì)疑。

 

(3) 研究意義

 

 

深海生態(tài)研究金標(biāo)準(zhǔn)：

 

Unisense電極的 毫秒級響應(yīng)與 高壓兼容性（圖8系統(tǒng)集成）為深?；芎铣上到y(tǒng)研究設(shè)立技術(shù)標(biāo)桿。

 

推動 原位生理學(xué)驗(yàn)證范式，彌補(bǔ)組學(xué)推測的局限性（如本研究中基因表達(dá)與實(shí)際功能的脫節(jié)）。

 

總結(jié)

 

本研究通過 Unisense電極的精準(zhǔn)H?通量監(jiān)測，結(jié)合多尺度生理實(shí)驗(yàn)，揭示深海管狀蠕蟲共生體系雖保留氫化酶基因，卻 無法代謝H?產(chǎn)能。其技術(shù)價(jià)值在于：

 

1.證偽能力：Unisense實(shí)時數(shù)據(jù)（圖1）為否定H?代謝假說提供不可辯駁的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

2.環(huán)境真實(shí)性：高壓原位模擬（圖8）確保結(jié)論外推到深海熱液環(huán)境可信。

3.技術(shù)啟示：在極端環(huán)境微生物研究中，Unisense類原位傳感器是銜接基因潛力與生態(tài)功能的關(guān)鍵工具。

 

這一案例凸顯生理驗(yàn)證對校正組學(xué)推論的必要性，也為深海共生生態(tài)系統(tǒng)的能量代謝模型提供關(guān)鍵約束。