HONG KONG SAR – Media OutReach – Sebuah studi yang dipimpin oleh para ilmuwan di Hong Kong Baptist University (HKBU) telah memecahkan kode genom kerang laut dalam (Archivesica marissinica) dan bakteri chemoautotrophic (Candidatus Vesicomyosocius marissinica) yang hidup di sel epitel insangnya.

Gambar tersebut menunjukkan kerang dengan kaki menjulur jauh ke dalam sedimen untuk mendapatkan akses ke hidrogen sulfida. Kaki dan mantel kerang berwarna merah karena adanya hemoglobin untuk transportasi gas dalam darah, yang merupakan adaptasi terhadap lingkungan rendah oksigen. (Dibuat oleh siswa HKBU Hu Juntong)

Melalui analisis struktur genom dan profil pola ekspresi gen mereka, tim peneliti mengungkapkan bahwa simbiosis antara kedua pasangan memungkinkan kerang berkembang biak di lingkungan laut dalam yang ekstrim.

Temuan penelitian ini telah dipublikasikan di jurnal akademis Molecular Biology and Evolution.

Karena kurangnya bahan organik yang diturunkan dari fotosintesis secara umum, laut dalam pernah dianggap sebagai “gurun” yang luas dengan sedikit biomassa. Namun, kerang sering membentuk populasi besar di ventilasi hidrotermal bersuhu tinggi dan dingin yang membekukan merembes ke lautan dalam di seluruh dunia di mana sinar matahari tidak dapat menembusnya, tetapi molekul beracun, seperti hidrogen sulfida, tersedia di bawah dasar laut.

Kerang diketahui memiliki usus dan sistem pencernaan yang berkurang, dan mereka bergantung pada bakteri endosimbiotik untuk menghasilkan energi dalam proses yang disebut kemosintesis. Namun, kapan hubungan simbiosis ini berkembang, dan bagaimana kerang dan bakteri kemoautotrofik berinteraksi, sebagian besar masih belum jelas.

Transfer gen horizontal antara bakteri dan kerang ditemukan untuk pertama kalinya

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Qiu Jianwen, Kepala Asosiasi dan Profesor Departemen Biologi di HKBU, mengumpulkan spesimen kerang di 1.360 meter di bawah permukaan laut dari rembesan dingin di Laut Cina Selatan. Genom dari kerang dan bakteri simbiosisnya kemudian diurutkan untuk menjelaskan tanda genom dari hubungan simbiosis mereka yang sukses.

Tim menemukan bahwa nenek moyang kerang itu memisahkan dengan kerabatnya di perairan dangkal 128 juta tahun lalu ketika dinosaurus menjelajahi bumi. Studi tersebut mengungkapkan bahwa 28 gen telah dipindahkan dari bakteri kemoautotrofik leluhur ke kerang, penemuan pertama transfer gen horizontal — proses yang mentransmisikan materi genetik antara organisme yang berhubungan jauh — dari bakteri ke moluska bivalvia.

Fitur genomik kerang berikut ditemukan, dan digabungkan, mereka memungkinkannya beradaptasi dengan lingkungan laut dalam yang ekstrem:

Adaptasi untuk kemosintesis

Kerang bergantung pada bakteri kemoautotrofik simbiosisnya untuk menghasilkan bahan biologis yang penting untuk kelangsungan hidupnya. Dalam hubungan simbiosisnya, kerang menyerap hidrogen sulfida dari sedimen, serta oksigen dan karbon dioksida dari air laut, dan mentransfernya ke bakteri yang hidup di sel epitel insangnya untuk menghasilkan energi dan nutrisi dalam proses yang disebut kemosintesis. Prosesnya diilustrasikan pada Gambar 1.

Tim peneliti juga menemukan bahwa genom kerang menunjukkan ekspansi keluarga gen dalam proses seluler seperti respirasi dan difusi yang kemungkinan memfasilitasi kemoautotrofi. termasuk pengiriman gas untuk mendukung produksi energi dan karbon, transfer molekul kecil dan protein di dalam simbion, dan pengaturan populasi endosimbion. Ini membantu sejumlah besar mendapatkan nutrisi yang cukup dari bakteri simbiosis.

Peralihan dari makanan berbasis fitoplankton

Selulase adalah enzim yang memfasilitasi penguraian selulosa yang ditemukan di fitoplankton, sumber makanan utama utama dalam rantai makanan laut. Ditemukan bahwa gen selulase kerang telah mengalami kontraksi yang signifikan, yang kemungkinan merupakan adaptasi dari pergeseran dari makanan yang diturunkan dari fitoplankton ke makanan berbasis bakteri.

Adaptasi terhadap jalur metabolisme belerang

Genom simbion juga menyimpan rahasia hubungan yang saling menguntungkan ini. Tim menemukan bahwa kerang memiliki genom yang berkurang, karena ukurannya hanya sekitar 40% dari ukuran kerabatnya yang hidup bebas. Namun demikian, genom simbion mengkodekan jalur metabolisme belerang yang lengkap dan fleksibel, dan ia mempertahankan kemampuan untuk mensintesis 20 asam amino umum dan nutrisi penting lainnya, menyoroti pentingnya simbion dalam menghasilkan energi dan menyediakan nutrisi untuk mendukung hubungan simbiosis.

Peningkatan kapasitas pengikat oksigen

Tidak seperti vertebrata, hemoglobin, metaloprotein yang ditemukan dalam darah dan jaringan banyak organisme, tidak umum digunakan sebagai pembawa oksigen pada moluska. Namun, tim menemukan beberapa jenis gen hemoglobin yang sangat terekspresi dalam kerang, menunjukkan peningkatan dalam kapasitas pengikatan oksigennya, yang dapat meningkatkan kemampuan kerang untuk bertahan hidup di habitat rendah oksigen di laut dalam.

“Sebagian besar penelitian sebelumnya tentang simbiosis laut dalam hanya berfokus pada bakteri. Perakitan genom kerang-simbion pertama ini akan memfasilitasi studi banding yang bertujuan untuk menjelaskan keragaman dan mekanisme evolusi simbiosis, yang memungkinkan banyak invertebrata tumbuh di ekosistem laut dalam yang ‘ekstrim’, ” pungkas Profesor Qiu.

Penelitian ini dilakukan bersama-sama oleh para ilmuwan dari HKBU dan Institut Penelitian dan Pendidikan Berkelanjutan HKBU, Laboratorium Sains dan Teknik Kelautan Selatan Cabang Hong Kong (Guangzhou), Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong, Universitas Kota Hong Kong. , Badan Sains dan Teknologi Laut-Bumi Jepang, Institut Sains dan Teknik Laut Dalam Sanya, dan Survei Geologi Kelautan Guangzhou.

Keterangan Foto: Profesor Qiu Jianwen (kanan) dan anggota tim peneliti HKBU Dr Ip Chi-ho (tengah) dan Dr Xu Ting mengumpulkan spesimen kerang di 1.360 meter di bawah permukaan laut dari Laut Cina Selatan.