近日，深海所張海濱研究團(tuán)隊(duì)在Science子刊Science Advances（一區(qū) TOP) 上在線發(fā)表了題為《Genetic adaptations of sea anemone to hydrothermal environment》的研究論文。該研究破解了中印度洋(Central Indian Ridge)Edmond熱液口?？?i style="line-height: 175%;">Alvinactis idsseensis sp. nov.）的染色體水平的基因組，解析了?？谏詈嵋簶O端環(huán)境中的生存機(jī)制。
深海熱液噴口的特征是極端的溫度和壓力、高濃度金屬離子、有毒化學(xué)物質(zhì)和常年黑暗，但大量生物卻在此繁衍生息，建立了一個(gè)獨(dú)特而有趣的生態(tài)系統(tǒng)。Edmond和Kairei是中印度洋脊上具有高度地理連通性的兩個(gè)熱液口，其多種金屬離子(如Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+)的含量遠(yuǎn)高于周?chē)Ｋ?。該?？巧钤?span lang="EN-US" style="line-height: 175%;">Edmond熱液口的優(yōu)勢(shì)物種，常見(jiàn)于硫化物豐富的熱液噴口周邊區(qū)(棲息環(huán)境溫度為1 ~ 2 )，主要通過(guò)捕食盲蝦獲取營(yíng)養(yǎng)，但針對(duì)該?？麑?duì)極端環(huán)境適應(yīng)機(jī)制的研究較少。
圖1 采樣信息
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)比較基因組分析發(fā)現(xiàn)，該海葵基因組中分別有736/31個(gè)基因家族顯著擴(kuò)增/收縮。擴(kuò)增基因家族主要與金屬離子的結(jié)合、細(xì)胞膜和應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)，其中與金屬離子耐受相關(guān)的MTPs基因家族顯著擴(kuò)張，轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)MTP基因主要在觸手中表達(dá)。由于MTP基因在無(wú)脊椎動(dòng)物中研究較少，為了更好地了解MTPs的功能，研究人員利用酵母表達(dá)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行功能驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)攜帶MTP的酵母細(xì)胞只能在含有高濃度Fe2+和Mn2+的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，這證明MTP可以幫助該?？褪?span lang="EN-US" style="line-height: 175%;">Edmond熱液口環(huán)境中高濃度的Fe2+和Mn2+。
盡管Fe2+是所有生物體中支持氧運(yùn)輸?shù)壬锕δ艿鞍椎谋匾煞?，但過(guò)量的鐵會(huì)導(dǎo)致過(guò)氧化物的產(chǎn)生。因此，維持細(xì)胞鐵穩(wěn)態(tài)對(duì)生物體的正常分子功能極為重要。該研究發(fā)現(xiàn)fech基因在高度保守的亞鐵螯合酶結(jié)構(gòu)域中檢測(cè)到正選擇信號(hào)位點(diǎn)(P283H)和突變位點(diǎn) (N279H)，這表明 fech基因可能增加了該海葵與鐵或其他金屬離子的結(jié)合能力。此外，還發(fā)現(xiàn)與Fe-S簇的形成相關(guān)基因（nfs和fxn ）發(fā)生了正選擇，這些基因之間協(xié)作可能在該?？芯S持細(xì)胞金屬離子的穩(wěn)態(tài)中起重要作用。
圖2 深海?？麑?duì)金屬離子的適應(yīng)性
高靜水壓力會(huì)影響細(xì)胞膜流動(dòng)性、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、DNA 結(jié)構(gòu)和細(xì)胞骨架等，該研究結(jié)合團(tuán)隊(duì)已發(fā)表的深海?？?i style="line-height: 175%;">Paraphelliactis xishaensis）基因組，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)深海?？杏?span lang="EN-US" style="line-height: 175%;">22個(gè)基因家族發(fā)生了共同擴(kuò)張，富集分析發(fā)現(xiàn)這些基因家族與DNA修復(fù)和細(xì)胞膜有關(guān)。為進(jìn)一步分析高靜水壓力對(duì)于細(xì)胞膜功能的影響，研究人員比較了該海葵和淺海?？目傊浚l(fā)現(xiàn)該?？鄬?duì)于淺海?？哂休^高含量的多不飽和脂肪酸。有趣的是，參與不飽和脂肪酸合成的多個(gè)基因（fasn, acss3, pfi,和 Rv3720）發(fā)生了改變，其中fasn 基因在馬里亞納獅子魚(yú)Pseudoliparis swirei 基因組中同樣發(fā)生擴(kuò)張，這可能是深海生物應(yīng)對(duì)高靜水壓力的趨同進(jìn)化。
圖3 深海?？纳詈８哽o水壓力適應(yīng)
研究發(fā)現(xiàn)該?？赡芡ㄟ^(guò)更加敏感的視蛋白增強(qiáng)紅外感知能力以幫助其在黑暗環(huán)境中捕食盲蝦，并存在完整的晝夜節(jié)律通路基因，這些改變可能有助于該?？跓嵋涵h(huán)境中生存。
論文第一作者為周洋博士，張海濱研究員為論文通訊作者。深海所為第一作者單位和通訊作者單位。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、海南省重大科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文信息：Y. Zhou, H. Liu, C. Feng, Z. Lu, J. Liu, Y. Huang, H. Tang, Z. Xu, Y. Pu, H. Zhang, Genetic adaptations of sea anemone to hydrothermal environment. Science Advances 9, eadh0474 (2023).
論文連接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0474
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