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张海滨团队Trends in Genetics综述丨海洋无脊椎动物对深海热液极端环境的遗传适应

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2024-11-15 02:34

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学

Life science

近日，Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Genetics发表了中国科学院深海科学与工程研究所张海滨研究员团队撰写的文章“Genetic adaptations of marine invertebrates to hydrothermal vent habitats”，该文章综述了近年来有关海洋无脊椎动物对深海热液环境遗传适应的研究进展，探讨了热液生物适应极端环境的分子机制。

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热液喷口是深海中独特的地质结构，渗透到地壳裂缝中的海水被岩浆加热并喷出，形成的流体温度可高达400℃，流体呈酸性、缺氧且富含氢气、硫化氢、甲烷、锰和一些其他过渡金属（例如铁、锌、铜、铅、钴和铝等），使热液喷口区域成为具有高温、缺氧、高硫化物、高金属浓度和黑暗等特征的极端环境，对生物构成了巨大的生存挑战，但同时也孕育了独特的生物群落。

▲图1.全球热液喷口分布及热液区的典型无脊椎动物

无脊椎动物，尤其是环节动物、节肢动物和软体动物，占据了深海热液生物群落的主导地位。它们通过一系列复杂的遗传适应策略，成功在热液极端环境中生存和繁衍。这些适应策略包括对高温的耐受性、在低氧条件下的代谢调节、对硫化物的解毒能力、对重金属的积累与解毒机制，以及在黑暗环境中的感光和行为适应等。

近年来，科学家们利用新一代测序技术，对这些无脊椎动物的基因组和转录组等组学数据进行了深入分析，揭示了它们适应极端环境的分子机制。例如，一些物种通过基因的正向选择和扩增，增强了热休克蛋白的表达，以抵御高温带来的损伤。在缺氧条件下，它们通过调整血红蛋白和其他氧结合蛋白的结构和功能，以提高氧气的获取和运输效率。一些物种通过代谢途径的调整和解毒酶系的强化，有效管理硫化物和重金属的毒性。而共生关系在热液喷口生态系统中扮演了重要角色。许多无脊椎动物与硫化物氧化细菌建立了共生关系，这些细菌不仅为宿主提供营养，还帮助宿主解毒。这种共生关系的形成和维持涉及复杂的免疫调节机制和基因表达调控。此外，在深海的常年黑暗环境中，许多物种在感知光的能力和节律调节上也发生了适应性遗传变化。

▲图2. 无脊椎动物适应深海热液环境的关键基因

尽管近年来在深海热液无脊椎动物的遗传适应研究中取得了显著进展，但仍面临诸多挑战，如深海样本采集技术的局限性、采集过程中基因表达分析的偏差和深海极端环境模拟装备的缺乏等。未来的研究需要更完备的样品采集方法和更先进的深海环境模拟技术，以进一步揭示这些生物在极端环境中生存的遗传奥秘。此外，表观遗传学、单细胞RNA测序技术和CRISPR-Cas编辑技术的应用，将为深海无脊椎动物的适应性研究提供新的视角和工具。随着深海探测技术的发展和新方法的涌现，人类有望在未来对深海热液生物的遗传适应机制获得更加全面和深入的理解。