2025年3月，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所張海濱研究員團隊等在深淵鉤蝦環(huán)境適應(yīng)與種群遺傳方面取得新進展，其研究成果在主刊Cell上在線發(fā)表。題為“The?amphipod?genome?reveals?population?dynamics?and?adaptations?to?hadal?environment”。該研究對馬里亞納海溝、雅浦海溝、菲律賓海盆等科考航次獲得的深淵鉤蝦（Hirondellea?gigas）樣本進行研究，通過染色體水平基因組和群體遺傳學(xué)分析，并綜合轉(zhuǎn)錄組、宏基因組、代謝組等多組學(xué)數(shù)據(jù)，揭示了這種分布水深超過萬米的端足類適應(yīng)深淵環(huán)境的分子機制，及其群體分化與種群動態(tài)歷史。其中百邁客生物為該研究提供了基因組、轉(zhuǎn)錄組等測序服務(wù)。

染色體水平超大基因組：

研究團隊利用PacBio?HiFi長讀長測序和Hi-C三維基因組技術(shù)，成功組裝了H.?gigas的染色體水平的高質(zhì)量基因組（大小13.92?Gb）。基因組分析揭示了其兩大主要特征：內(nèi)含子延長和重復(fù)序列擴張。與近緣物種相比，H.?gigas的內(nèi)含子長度顯著增加，主要是由于重復(fù)序列的插入，尤其是串聯(lián)重復(fù)和長散在重復(fù)序列（LINEs）轉(zhuǎn)座子。H.?gigas基因組中71.98%為重復(fù)序列，主要為串聯(lián)重復(fù)，占到基因組的46.03%，顯著高于其他無脊椎動物。特別是，與其他無脊椎動物基因組相比，H.?gigas基因組中長單元串聯(lián)重復(fù)序列（小衛(wèi)星，10-100?bp）的比例更高，其比例與無脊椎動物基因組大小正相關(guān)。這些重復(fù)的產(chǎn)生可能與深淵極端環(huán)境的適應(yīng)有關(guān)。

地理隔離塑造了不同鉤蝦群體的遺傳分化：

研究團隊對馬里亞納海溝的510只（11個群體）、雅浦海溝94只（1個群體）及西菲律賓海盆深淵區(qū)的18只（1個群體）H.?gigas個體進行了高覆蓋的全基因組重測序和群體遺傳學(xué)分析。結(jié)果顯示來自馬里亞納海溝11個不同深度（~7000-11000米）群體不存在遺傳分化，表明生活在馬里亞納海溝內(nèi)的鉤蝦是一個完全混合的群體，高靜水壓不會限制其在海溝內(nèi)的垂直遷移。而西菲律賓海盆的鉤蝦群體與馬里亞納海溝的群體則表現(xiàn)出明顯的遺傳分化。這兩個海溝間相隔~1500公里，表明地理隔離阻礙了群體間的基因交流。

冰期-間冰期氣候變化可能影響深淵種群動態(tài)歷史：

研究結(jié)果顯示H.?gigas的有效種群在約100萬年前經(jīng)歷了一次急劇下降，這與更新世深海溫度的大幅波動高度吻合。經(jīng)過遺傳瓶頸后，鉤蝦群體又經(jīng)歷了種群擴張。這一結(jié)果說明，更新世時期大的冰期-間冰期氣候變化可能不僅造成了陸地動物的大規(guī)模滅絕，而且也深刻影響了深海甚至深淵動物。

宿主-微生物協(xié)同合作適應(yīng)深淵極端環(huán)境：

研究團隊通過宏基因組和代謝組學(xué)整合分析揭示了H.gigas與共生菌的協(xié)同合作可能是鉤蝦適應(yīng)深淵極高靜水壓和食物匱乏環(huán)境的關(guān)鍵。

氧化三甲胺（TMAO）是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在滲透壓調(diào)節(jié)以及在高靜水壓條件下維持細胞完整性方面發(fā)揮著重要作用。檢測發(fā)現(xiàn)，隨著深度增加，鉤蝦腸道內(nèi)容物中TMAO濃度顯著升高，體組織中也呈現(xiàn)類似趨勢。鉤蝦自身編碼fmo3基因，可將三甲胺（TMA）轉(zhuǎn)化為TMAO。而其優(yōu)勢共生菌Psychomonas的基因組中攜帶cutC和cutD基因簇，可將膽堿分解為TMA；同時擁有torYZ操縱子，可以將TMAO還原為TMA，從而調(diào)控宿主體內(nèi)的TMAO濃度，形成動態(tài)平衡。

極低的生產(chǎn)力和有限的食物被認為是制約深海生物代謝的關(guān)鍵因素之一。有研究推測H.?gigas可能具備消化木質(zhì)碎屑的能力。該研究在H.gigas基因組中發(fā)現(xiàn)了4種內(nèi)切葡聚糖酶基因，可以將纖維素初步分解為纖維二糖；在共生菌Psychomonas中發(fā)現(xiàn)了纖維二糖酶、celB基因和磷酸纖維二糖酶，負責(zé)將纖維二糖進一步轉(zhuǎn)化為D-葡萄糖，從而形成完整的纖維素代謝通路。這一機制可能最終促使H.gigas能夠高效利用深淵食物資源，從而使其在食物匱乏的深淵海溝中成為一大優(yōu)勢類群。

總?結(jié)

目前，理解動物如何適應(yīng)深淵仍然是一個科學(xué)難題。H.?gigas的基因組是全球已發(fā)表的“最深”的動物基因組，其群體研究產(chǎn)出的數(shù)據(jù)量是迄今為止全球最大規(guī)模的單一海洋物種重測序，為研究深淵生態(tài)系統(tǒng)提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源。該研究結(jié)果也為深入理解生命如何適應(yīng)深淵環(huán)境提供了新的見解。