中國科學院深海所何舜平團隊2019年在英國著名自然雜志子刊Nature Ecology & Evolution（自然-生態(tài)與進化）上，發(fā)表研究論文首次揭示了超深淵獅子魚適應極端環(huán)境的遺傳基礎，該文章一經(jīng)發(fā)表引發(fā)廣泛的報道和討論。隨著研究的深入，近日，該團隊聯(lián)合西北工業(yè)大學王堃教授團隊又在著名刊物eLife（一區(qū) TOP) 雜志上再發(fā)表一篇題為Chromosome-level genome assembly of hadal snailfish reveals mechanisms of deep-sea adaptation in vertebrates的研究論文，報道了深淵獅子魚（Pseudoliparis swirei）進一步研究的新發(fā)現(xiàn)，深入地探討了這一深淵類群的獨特的適應機制。深淵獅子魚是目前已知在海洋中生存深度最大的脊椎動物，生活在6000至8000米的深淵環(huán)境中。該研究對深淵獅子魚群體基因組進行了深入分析，通過比較基因組學和轉(zhuǎn)錄組學方法，揭示了這一物種對極端環(huán)境的獨特適應機制。
該研究對馬里亞納海溝深淵獅子魚的基因組組裝進行了優(yōu)化，通過采用ONT長讀取、BGI短讀取和Hi-C測序技術，獲得了染色體水平的高質(zhì)量基因組組裝，基因組大小為626.44 Mb，具有24條染色體。新的基因組組裝填補了先前組裝版本中1.26 Mb的缺失，提高了基因組的連續(xù)性和完整性。該研究利用不同海溝深淵獅子魚基因組和線粒體基因數(shù)據(jù)對其演化歷史進行了分析。研究表明，深淵獅子魚與其近緣淺海種細紋獅子魚（Tanaka's snailfish）約在1800萬年前發(fā)生分化，而與其他生活在約1000米左右深度的深海近緣獅子魚的分化時間約為990萬年前，接近馬里亞納海溝形成的時間。該研究推測，深淵獅子魚的祖先可能首先適應了大約990萬年前形成的1000米左右的深海環(huán)境，隨后逐漸適應了更深的環(huán)境。同時，系統(tǒng)發(fā)育分析表明它們在百萬年內(nèi)分散到太平洋的不同海溝。
圖 1 深淵獅子魚的采樣信息、系統(tǒng)發(fā)育關系和種群結(jié)構(gòu)
該研究還關注了深淵獅子魚在進化過程中對黑暗的適應。相較與細紋獅子魚，深淵獅子魚視覺系統(tǒng)中多個感光相關基因發(fā)生丟失，此外，感光元件的表達水平在不同深度上也發(fā)生了顯著變化，這表明其在深海環(huán)境中對視覺的需求相對較低。進一步研究發(fā)現(xiàn)，與節(jié)律相關的基因也發(fā)生丟失或假基因化，表明深淵獅子魚的生物鐘可能仍然存在，但不再基于光的調(diào)控。
圖 2 深淵獅子魚視覺相關基因的改變
圖 3 深淵獅子魚基因組中節(jié)律相關基因的改變
由于缺乏光線，聽覺似乎對深淵獅子魚的生存至關重要。研究發(fā)現(xiàn)，聽覺相關基因cldnj在深淵獅子魚基因組中拷貝數(shù)增加，該基因是耳石形成所必需的基因。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)也表明深淵獅子魚聽覺相關蛋白表達量顯著增加。
圖 4 聽覺相關基因在深淵獅子魚中拷貝數(shù)增加或高表達
值得注意的是，轉(zhuǎn)鐵蛋白編碼基因fthl27在深淵獅子魚基因組中發(fā)生串聯(lián)重復(14個拷貝)，進一步的細胞實驗證明，fthl27過表達細胞內(nèi)ROS水平顯著降低，并具有顯著更高的細胞活力。這增加了深淵獅子魚在高靜水壓力下對氧化應激的耐受力，可能是其適應高壓環(huán)境的重要因素之一。
圖 5 高凈水壓力下分子水平和細胞水平的適應
總的來說，這項研究為深海魚類的進化和適應機制提供了深入的了解，這有助于我們更全面地理解深海生物是如何適應極端環(huán)境的，對于保護和管理深海生物資源具有一定的參考價值。
中國科學院深海所何舜平研究員和西北工業(yè)大學王堃教授為該論文共同通訊作者，中國科學院深海所徐涵博士為該論文共同第一作者。
論文連接：https://doi.org/10.7554/eLife.87198.3
江漢大學王瑩副教授和中國科學院水生所楊連東青年研究員對該文章發(fā)表了題為Surviving under pressure：Genomic analysis has shed light on how hadal snailfish have adapted to living at depths of several thousand metres的評論，發(fā)表于eLife雜志上。
文章鏈接：https://doi.org/10.7554/eLife.90216
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