深海海溝作為地球上最極端的生態(tài)系統(tǒng)之一，其深度超過6000米的哈達(dá)爾區(qū)（hadal zone）長期保持著三項(xiàng)嚴(yán)酷的環(huán)境特征：靜水壓力可達(dá)110兆帕（相當(dāng)于1100個(gè)大氣壓）、溫度恒定在1-4℃、終年無光且有機(jī)質(zhì)輸入稀少。盡管條件惡劣，這里依然形成了獨(dú)特的宏底棲生物群落，其中端足類（Amphipoda）甲殼動(dòng)物表現(xiàn)出顯著的適應(yīng)性輻射。
在眾多端足類物種中，Hirondellea gigas（鉤蝦，以下簡稱H. gigas）的生態(tài)策略尤為突出，作為西北太平洋海溝的特有種，其垂直分布橫跨6800-11000米深度梯度，承受著60-110兆帕的壓力變化，是研究深海動(dòng)物適應(yīng)機(jī)制和種群動(dòng)態(tài)的理想模型。
2025年3月，中國科學(xué)院深海研究所張海濱研究員團(tuán)隊(duì)等在主刊Cell上在線發(fā)表了“The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment”的研究論文，通過基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等多組學(xué)數(shù)據(jù)分析，揭示H. gigas在深海環(huán)境中的適應(yīng)機(jī)制和種群動(dòng)態(tài)，為理解深海生物如何適應(yīng)極端環(huán)境提供新的見解。（麥特繪譜提供TMAO定量檢測服務(wù)）
研究設(shè)計(jì)
樣本采集：研究團(tuán)隊(duì)從馬里亞納海溝（MT）、雅浦海溝（YT）和西菲律賓海盆中央裂谷（CBSC）采集了H. gigas樣本，共622個(gè)個(gè)體，其中馬里亞納海溝510個(gè)個(gè)體，雅浦海溝94個(gè)個(gè)體，西菲律賓海盆中央裂谷18個(gè)個(gè)體。
基因組測序：對H. gigas進(jìn)行了染色體水平的基因組組裝，使用了PacBio HiFi-CCS技術(shù)，結(jié)合Hi-C技術(shù)，生成了13.92Gb的高質(zhì)量基因組。此外，還對510個(gè)馬里亞納海溝個(gè)體進(jìn)行了全基因組測序，以評估種群結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。
多組學(xué)分析：整合了基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和微生物組學(xué)等多種組學(xué)技術(shù)，以全面揭示H. gigas的適應(yīng)機(jī)制和種群動(dòng)態(tài)。
研究思路
圖1. 研究思路圖
研究結(jié)果
1. 基因組特征研究
基因組大小和結(jié)構(gòu)：采用PacBio HiFi-CCS技術(shù)（488.57Gb數(shù)據(jù)）和Hi-C技術(shù)（1.54Tb數(shù)據(jù)）對H. gigas進(jìn)行全基因組測序與組裝，H. gigas的基因組大小為13.92Gb，其中約71.98%為重復(fù)序列，尤其是串聯(lián)重復(fù)序列（TRs）占比較高，這可能是其基因組較大的主要原因之一。
基因預(yù)測和表達(dá)：預(yù)測了27,881個(gè)蛋白編碼基因，表達(dá)率67.30%。與其他相關(guān)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TRs和長散在核元件（LINEs）。
圖2. H. gigas染色體水平組裝及重復(fù)序列相關(guān)基因組特征
2. 種群動(dòng)態(tài)研究
馬里亞納海溝種群的同質(zhì)性：通過對馬里亞納海溝510個(gè)個(gè)體的全基因組測序分析發(fā)現(xiàn)，該海溝內(nèi)的H. gigas種群在不同深度、不同年份和不同地點(diǎn)之間沒有明顯的遺傳分化，顯示出高度的遺傳同質(zhì)性，表明其具有在較寬的深度范圍內(nèi)耐受靜水壓力的能力。
不同海溝種群的遺傳分化：西菲律賓海盆中央裂谷的H. gigas個(gè)體與馬里亞納海溝和雅浦海溝的個(gè)體在遺傳上存在顯著差異，這可能是由于地理隔離導(dǎo)致的。雅浦海溝的個(gè)體與馬里亞納海溝的個(gè)體部分混合，但存在一個(gè)明顯的遺傳分化島，表明這兩個(gè)海溝之間的種群也存在一定的遺傳分化。
種群歷史動(dòng)態(tài)：通過PSMC（基于單個(gè)個(gè)體基因組數(shù)據(jù)推斷種群歷史動(dòng)態(tài)的統(tǒng)計(jì)方法）方法分析種群歷史，發(fā)現(xiàn)H. gigas在幾百萬年前經(jīng)歷了一次顯著的種群規(guī)模下降，這與更新世期間的冰期-間冰期變化相吻合，表明這些氣候變化可能對深海生物的種群動(dòng)態(tài)產(chǎn)生了影響。
圖3. 馬里亞納海溝、雅浦海溝、西菲律賓海盆中央裂谷的種群結(jié)構(gòu)特征
3. 適應(yīng)機(jī)制研究
宿主-共生微生物的相互作用：從PacBio HiFi-CCS測序數(shù)據(jù)和H. gigas種群數(shù)據(jù)中分離微生物序列，利用宏基因組學(xué)分析構(gòu)建了一個(gè)包含44個(gè)獨(dú)特宏基因組組裝基因組（MAGs）的目錄，這些基因組與H. gigas共生。其中，Psychromonas這一微生物在所有H. gigas個(gè)體中普遍存在，其平均豐度高達(dá)26.97%，且Psychromonas未在其他馬里亞納海溝的微生物研究中被發(fā)現(xiàn)，表明其與H. gigas之間可能存在特殊的共生關(guān)系，可能對H. gigas適應(yīng)高壓力和食物有限的深海環(huán)境至關(guān)重要。
TMAO（麥特繪譜提供檢測服務(wù)）代謝途徑：TMAO作為一種滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)，在高靜水壓力條件下調(diào)節(jié)滲透壓和維持細(xì)胞完整性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過分析檢測馬里亞納海溝的H. gigas樣本的身體組織和腸道內(nèi)容物中有機(jī)滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，發(fā)現(xiàn)H. gigas體內(nèi)TMAO的濃度隨深度增加而升高，且在腸道內(nèi)容物和身體組織中均呈現(xiàn)這一趨勢。研究還發(fā)現(xiàn)H. gigas體內(nèi)存在將TMA轉(zhuǎn)化為TMAO的fmo3基因，而Psychromonas細(xì)菌基因組中則存在將TMAO還原為TMA的torYZ操縱子，這表明H. gigas和Psychromonas之間可能通過TMAO代謝途徑相互協(xié)作，以適應(yīng)深海的高壓力環(huán)境。
纖維素代謝途徑：低生產(chǎn)力和食物限制被認(rèn)為是深海生物代謝的關(guān)鍵決定因素，H. gigas被認(rèn)為具有消化木質(zhì)殘骸的能力。研究在H. gigas基因組中發(fā)現(xiàn)了四個(gè)內(nèi)切葡聚糖酶基因，而在Psychromonas基因組中發(fā)現(xiàn)了將纖維二糖轉(zhuǎn)化為D-葡萄糖的相關(guān)基因，進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)錄組測序和RT-PCR實(shí)驗(yàn)，研究者們驗(yàn)證了這些基因在H. gigas或共生Psychromonas基因組中的表達(dá)。這表明H. gigas和Psychromonas之間的互補(bǔ)功能基因可能共同完成纖維素代謝途徑，從而增強(qiáng)其在食物有限的深海環(huán)境中的適應(yīng)能力。
圖4. H.gigas適應(yīng)超深環(huán)境中的高靜水壓力機(jī)制研究
研究結(jié)論
H. gigas在馬里亞納海溝內(nèi)具有高度的遺傳同質(zhì)性，表明其能夠耐受較寬范圍的深度變化，而不同海溝之間的種群則存在遺傳分化，這可能與地理隔離有關(guān)。H. gigas的深海適應(yīng)機(jī)制可能主要依賴于宿主與共生微生物之間的相互作用，特別是通過TMAO代謝途徑來調(diào)節(jié)滲透壓和維持細(xì)胞完整性，以及通過纖維素代謝途徑增強(qiáng)其在食物有限的深海環(huán)境中的消化能力。為理解深海生物如何適應(yīng)極端環(huán)境提供了新的見解，并為研究深海生態(tài)系統(tǒng)中的進(jìn)化和生態(tài)學(xué)提供了重要的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment. Cell. 2025
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TMAO代謝途徑一直是哺乳類動(dòng)物腸道菌群與心腦血管疾病的研究熱點(diǎn)，本研究采用質(zhì)譜的定量檢測服務(wù)揭示了TMAO途徑在低等生物與共生物微生物交互、及環(huán)境適應(yīng)過程中的新作用。
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