極地海洋與深海作為地球上復(fù)雜且特殊的海洋生態(tài)系統(tǒng)，常年面臨著低溫、高擾動(dòng)等極端環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，但卻孕育出復(fù)雜而多樣的海洋生物，展現(xiàn)了生命體在地球極端條件下的顯著韌性和多樣性。海洋生物的極端環(huán)境適應(yīng)性是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)問(wèn)題，涉及基因組結(jié)構(gòu)及表達(dá)特征的變化、群體遺傳多樣性的重塑、微生物共生關(guān)系的建立等多個(gè)方面，進(jìn)而引發(fā)海洋生物生理、行為改變的一系列生態(tài)適應(yīng)和進(jìn)化過(guò)程。

南極磷蝦是極地南大洋生態(tài)系統(tǒng)中資源量最豐富的奠基性物種，深海珊瑚則是深海生態(tài)系統(tǒng)形成的關(guān)鍵工程物種。依托國(guó)家海洋水產(chǎn)種質(zhì)資源庫(kù)，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所邵長(zhǎng)偉研究員團(tuán)隊(duì)以南極磷蝦和深海珊瑚為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用基因組、宏基因組等多組學(xué)技術(shù)，發(fā)掘了極地和深海生物海量基因資源，進(jìn)一步從宿主基因組進(jìn)化、線粒體適應(yīng)性到宿主-共生菌協(xié)同互作等多個(gè)維度，成功揭示了極端環(huán)境生物適應(yīng)的通用法則與獨(dú)特策略。上述工作將國(guó)家?guī)毂２氐暮Ｑ笊锘蛸Y源發(fā)掘范圍由近海、遠(yuǎn)洋拓展到極地海洋與深海，開(kāi)辟了海洋生物基因資源高效開(kāi)發(fā)與利用的新途徑。相關(guān)成果發(fā)表于《Cell》（封面論文）、《Cell Host & Microbe》《Zoological Research》（封面論文）、《mSystems》《BMC genomics》等國(guó)際知名期刊。

面對(duì)南極劇烈的季節(jié)變化，南極磷蝦演化出了極大的基因組（48.01Gb）。研究揭示，其基因組龐大體量的核心在于基因間轉(zhuǎn)座元件的爆發(fā)性擴(kuò)張。更為重要的是，研究首次鑒定并解析了磷蝦完整的生物鐘通路，為實(shí)現(xiàn)與極端光周期的高度同步奠定了分子基礎(chǔ)。種群基因組分析進(jìn)一步表明，盡管磷蝦群體在環(huán)南極尺度上呈現(xiàn)高度均質(zhì)化，但微弱的環(huán)境選擇信號(hào)正塑造著其遺傳結(jié)構(gòu)，歷史動(dòng)態(tài)更與百萬(wàn)年來(lái)的全球氣候變化事件相耦合（Cell，2023）。此外，通過(guò)南極磷蝦80個(gè)個(gè)體線粒體的群體基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)南極磷蝦線粒體具有極高的遺傳多樣性，并經(jīng)歷了近期的種群擴(kuò)張。線粒體蛋白編碼基因均受到強(qiáng)烈的純化選擇，表明其核心能量代謝功能在極端環(huán)境下高度保守（BMC Genomics，2025）。

南極磷蝦基因組變化揭示了對(duì)南極環(huán)境適應(yīng)的機(jī)制

除了自身基因組創(chuàng)新，南極磷蝦還通過(guò)與腸道共生菌建立高效的協(xié)同關(guān)系適應(yīng)極端的環(huán)境。團(tuán)隊(duì)首次系統(tǒng)解析了南極磷蝦腸道菌群的功能，鑒定出12個(gè)高豐度的新菌群，根據(jù)代謝潛能將它們分為兩大功能簇，分別參與宿主降解有機(jī)物過(guò)程和合成宿主所需多種氨基酸、維生素。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)證實(shí)腸道共生菌代謝活躍，它們?nèi)缤粋€(gè)內(nèi)置的、可動(dòng)態(tài)調(diào)控的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給站和抗氧化劑合成工廠，極大地增強(qiáng)了南極磷蝦在營(yíng)養(yǎng)波動(dòng)和氧化應(yīng)激環(huán)境中的生存韌性（mSystems，2025）。

南極磷蝦腸道微生物群的代謝模式圖

在深邃的黑暗世界中，深海珊瑚則展示了另一套生存哲學(xué)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)來(lái)自南海的八方珊瑚與六方珊瑚研究發(fā)現(xiàn)，深海珊瑚的線粒體進(jìn)化速率極為緩慢。線粒體基因排列順序高度保守，13個(gè)蛋白編碼基因均受純化選擇主導(dǎo)。這種以不變應(yīng)萬(wàn)變的進(jìn)化策略，可能與深海環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定及其體內(nèi)特有的DNA修復(fù)蛋白有關(guān)，使得它們的線粒體成為記錄深部演化歷史的分子活化石（Zoological Research，2024；International Journal of Molecular Sciences，2024）。然而，僅憑線粒體難以窺見(jiàn)全貌。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步繪制了偽交替深海黑珊瑚染色體水平的基因組圖譜，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座元件的近期爆發(fā)與有效種群大小的峰值同步，可能驅(qū)動(dòng)了基因組的重塑與適應(yīng)。深海黑珊瑚在營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)、免疫識(shí)別和溶酶體消化等相關(guān)基因家族的顯著擴(kuò)張，為它容納并管理共生菌群奠定了堅(jiān)實(shí)的遺傳平臺(tái)（Cell Host & Microbe，2025）。

珊瑚線粒體基因 Ka/Ks與環(huán)境變量之間的 Mantel 檢驗(yàn)

與磷蝦腸道菌群的高多樣性不同，深海黑珊瑚的共生菌群呈現(xiàn)出精簡(jiǎn)而穩(wěn)定的特征。通過(guò)多地點(diǎn)、多深度樣本證實(shí)其體內(nèi)主要由三大類共生菌主導(dǎo)，主要集中于水螅體的中膠層，形成一個(gè)高度特化的內(nèi)部微生態(tài)系統(tǒng)。這種簡(jiǎn)化模式暗示著宿主通過(guò)長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化，主動(dòng)篩選并維系了一個(gè)功能互補(bǔ)、效率極高的核心共生群體。此外，研究提出了宿主-共生菌穩(wěn)態(tài)調(diào)控分子模型，即宿主通過(guò)免疫反應(yīng)、吞噬與溶酶體消化等機(jī)制，有效維持與共生菌的平衡，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定共存（Cell Host & Microbe，2025）。

共生菌在深海珊瑚中膠層中的定位

綜上，作為地球上重要的兩大海洋生態(tài)系統(tǒng)，雖遠(yuǎn)隔重洋，卻揭示了極端環(huán)境下共同的生存智慧：一方面，生物通過(guò)自身基因組的可塑性構(gòu)建適應(yīng)性根基；另一方面，它們均發(fā)展與微生物的共生聯(lián)盟實(shí)現(xiàn)個(gè)體能力的超越。這些研究從遺傳基礎(chǔ)和生態(tài)策略層面闡明了關(guān)鍵物種適應(yīng)并維系極端生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)制，為評(píng)估未來(lái)環(huán)境變化對(duì)海洋生物資源的影響提供了理論基礎(chǔ)，也為海洋生物基因資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供了關(guān)鍵的技術(shù)路徑。

文章鏈接：

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• 信息來(lái)源：中國(guó)水科院。

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