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　　近日，深海所張海濱研究團隊在Science子刊Science Advances（一區 TOP) 上在線發表了題為《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熱液口海葵（Alvinactis idsseensis sp. nov.）的染色體水平的基因組，解析了海葵在深海熱液極端環境中的生存機制。

　　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、有毒化學物質和常年黑暗，但大量生物卻在此繁衍生息，建立了一個獨特而有趣的生態系統。Edmond和Kairei是中印度洋脊上具有高度地理連通性的兩個熱液口，其多種金屬離子(如Fe²⁺、Mn²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺)的含量遠高于周圍海水。該海葵是生活在Edmond熱液口的優勢物種，常見于硫化物豐富的熱液噴口周邊區(棲息環境溫度為1 ~ 2 )，主要通過捕食盲蝦獲取營養，但針對該海葵對極端環境適應機制的研究較少。

　　圖1 采樣信息

　　研究團隊通過比較基因組分析發現，該海葵基因組中分別有736/31個基因家族顯著擴增/收縮。擴增基因家族主要與金屬離子的結合、細胞膜和應激反應相關，其中與金屬離子耐受相關的MTPs基因家族顯著擴張，轉錄組分析發現大多數MTP基因主要在觸手中表達。由于MTP基因在無脊椎動物中研究較少，為了更好地了解MTPs的功能，研究人員利用酵母表達系統對其進行功能驗證，結果發現攜帶MTP的酵母細胞只能在含有高濃度Fe²⁺和Mn²⁺的培養基中生長，這證明MTP可以幫助該海葵耐受Edmond熱液口環境中高濃度的Fe²⁺和Mn²⁺。

　　盡管Fe²⁺是所有生物體中支持氧運輸等生物功能蛋白的必要成分，但過量的鐵會導致過氧化物的產生。因此，維持細胞鐵穩態對生物體的正常分子功能極為重要。該研究發現fech基因在高度保守的亞鐵螯合酶結構域中檢測到正選擇信號位點(P283H)和突變位點 (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合能力。此外，還發現與Fe-S簇的形成相關基因（nfs和fxn ）發生了正選擇，這些基因之間協作可能在該海葵中維持細胞金屬離子的穩態中起重要作用。

　　高靜水壓力會影響細胞膜流動性、蛋白質穩定性、DNA 結構和細胞骨架等，該研究結合團隊已發表的深海海葵（Paraphelliactis xishaensis）基因組，通過分析發現在兩個深海海葵中有22個基因家族發生了共同擴張，富集分析發現這些基因家族與DNA修復和細胞膜有關。為進一步分析高靜水壓力對于細胞膜功能的影響，研究人員比較了該海葵和淺海海葵的總脂含量，發現該海葵相對于淺海海葵具有較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基因（fasn, acss3, pfi,和 Rv3720）發生了改變，其中fasn 基因在馬里亞納獅子魚Pseudoliparis swirei 基因組中同樣發生擴張，這可能是深海生物應對高靜水壓力的趨同進化。

　　　　

　　　　

　　圖3 深海海葵的深海高靜水壓力適應

　　研究發現該海葵可能通過更加敏感的視蛋白增強紅外感知能力以幫助其在黑暗環境中捕食盲蝦，并存在完整的晝夜節律通路基因，這些改變可能有助于該海葵在熱液環境中生存。

　　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。該研究得到了中國科學院先導專項、海南省重大科技計劃等項目的支持。

　　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