近日，中國科學院深海科學與工程研究所研究員張海濱團隊聯(lián)合華大生命科學研究院等單位的科研人員，在深淵鉤蝦環(huán)境適應與種群遺傳研究方面取得新進展。該研究經(jīng)過近十年的努力，在中國科學院部署實施的“全球深淵深潛探索計劃”（Global TREnD）的支持下，使用“探索一號”科考船以及我國自主研制的全海深載人潛水器“奮斗者”號、全海深著陸器“原位實驗”號、“天涯”號等裝備，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分析，并綜合轉(zhuǎn)錄組、宏基因組、代謝組等多組學數(shù)據(jù)，揭示了這種分布水深超過萬米的端足類適應深淵環(huán)境的分子機制及其群體分化與種群動態(tài)歷史。
該團隊利用PacBio HiFi長讀長測序和Hi-C三維基因組技術(shù)，組裝了H. gigas的染色體水平的高質(zhì)量基因組（13.92 Gb）。基因組分析揭示了H. gigas具有內(nèi)含子延長和重復序列擴張兩個主要特征。與近緣物種相比，H. gigas的內(nèi)含子長度顯著增加，主要是由于重復序列的插入尤其是串聯(lián)重復和長散在重復序列轉(zhuǎn)座子。H. gigas基因組中71.98%為重復序列，主要為串聯(lián)重復，占基因組的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)重復序列的比例更高，其比例與無脊椎動物基因組大小正相關(guān)。這些重復的產(chǎn)生可能與深淵極端環(huán)境的適應有關(guān)。
該研究對馬里亞納海溝510只（11個群體）、雅浦海溝94只（1個群體）、西菲律賓海盆深淵區(qū)18只（1個群體）H. gigas個體進行高覆蓋的全基因組重測序和群體遺傳學分析。結(jié)果顯示，馬里亞納海溝11個不同深度（~7000米至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。
研究發(fā)現(xiàn)，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。這說明，更新世時期大的冰期-間冰期氣候變化可能造成陸地動物大規(guī)模滅絕，并可能深刻影響深海甚至深淵動物。
宏基因組和代謝組學整合分析發(fā)現(xiàn)，H.gigas與共生菌的協(xié)同合作可能是鉤蝦適應深淵極高靜水壓和食物匱乏環(huán)境的關(guān)鍵。
氧化三甲胺是滲透調(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)容物中氧化三甲胺濃度顯著升高，體組織呈現(xiàn)類似趨勢。鉤蝦自身編碼fmo3基因，可將三甲胺轉(zhuǎn)化為氧化三甲胺。而它的優(yōu)勢共生菌Psychomonas的基因組攜帶cutC和cutD基因簇，可將膽堿分解為三甲胺；擁有torYZ操縱子，可以將氧化三甲胺還原為三甲胺，從而調(diào)控宿主體內(nèi)的氧化三甲胺濃度，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，負責將纖維二糖進一步轉(zhuǎn)化為D-葡萄糖，進而形成完整的纖維素代謝通路。這一機制可能促使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優(yōu)勢類群。
上述研究獲得的H. gigas基因組是全球已發(fā)表的“最深”的動物基因組，基于群體研究產(chǎn)出的數(shù)據(jù)量是迄今為止全球最大規(guī)模的針對單一海洋物種的重測序，為探究深淵生態(tài)系統(tǒng)提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源。同時，這一成果為探索生命如何適應深淵環(huán)境提供了新見解。
相關(guān)研究成果以The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment為題，發(fā)表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、“全球深淵深潛探索計劃”（Global TREnD）、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）、中國科學院國際伙伴計劃及海南省重大科技計劃的支持。
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研究揭示萬米深淵鉤蝦環(huán)境適應性和種群歷史
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