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《Science | 深海无脊椎动物磷脂对压力的同温适应性》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2024-06-29

  • 2024年6月27日，加州大学圣地亚哥分校等机构的研究人员在Science发表题为Homeocurvature adaptation of phospholipids to pressure in deep-sea invertebrates的文章。

    静水压力随着海洋深度的增加而增加，但人们对生物耐压的分子基础知之甚少。

    该研究描述了梳水母（栉水母）的一种压力适应模式，这种模式也限制了这些动物的深度范围。对深海栉水母脂质的结构分析表明，它们在压力下形成了非双层相，而这种相通常并不稳定。脂质组学和全原子模拟发现，磷脂具有很强的负自发曲率，包括质粒，这是导致这种相行为的深海适应膜的标志。

    在大肠埃希氏菌中，合成磷脂可提高耐压性，而低曲率磷脂的效果则相反。对栉水母组织的成像表明，深海动物在减压时的解体可能是由其磷脂膜的相变驱动的。

  • 原文来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7607
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    • 静水压力随海水深度增加而增加，但关于生物如何适应这种压力的分子学基础了解甚少。加州大学旧金山分校的一项研究描述了栉水母的压力适应模式以及该模式如何限制其栖息深度。 对深海栉水母脂质的结构分析表明，深海栉水母的磷脂在压力下形成非双层相，而这种相通常并不稳定。脂质组学和全原子模拟识别出具有强烈负自发曲率的磷脂，包括缩醛磷脂，是导致深海适应膜相行为的标志。缩醛磷脂的合成增强了大肠杆菌的耐压性，而低曲率脂质则有相反效果。栉水母组织的成像表明，深海动物在减压时的解体可能由其磷脂膜的相变驱动。 这项研究提供了深海生物如何适应极端压力环境的新见解，并对理解全球深海生物多样性及其对气候变化的适应性具有重要意义。（张灿影 编译；熊萍 责编）
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    • 2025年3月6日，由中国科学院全球深渊研究团队何舜平研究员主导，联合中国科学院深海科学与工程研究所、中国科学院水生生物研究所、西北工业大学等单位科研人员完成的深海鱼类研究重大研究成果，以题为“Evolution and genetic adaptation of fishes to the deep sea”发表在国际顶级期刊《Cell》上。该研究是在中国科学院部署实施的全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）支持下，基于我国自主深潜技术获取的深海及深渊鱼类样本库，首次实现从基因到生态系统层面的多维度突破。 国之重器：助力深渊科考 该研究使用“探索一号”和“探索二号”科考船，以及我国自主研制的4500米级载人潜水器“深海勇士”号、全海深载人潜水器“奋斗者”号以及全海深着陆器“原位实验”号、“天涯”号等装备，通过对马里亚纳海沟、雅浦海沟、蒂阿曼蒂那深渊、瓦莱比-热恩斯深渊、西南印度洋热液、菲律宾海盆及南海等系列科考航次，覆盖几乎整个深海鱼类栖息深度范围（1218-7730米）的科学考察，获得了6大典型深海鱼类类群，共11种深海鱼样本，其中6种超深渊带（>6,000米）样本。 科研积淀：深海鱼类研究新突破 自2017年，何舜平研究员率领团队开展深海鱼类研究。2019年该团队公布首个已知栖息深度最深的鱼类类群：马里亚纳海沟超深渊狮子鱼（Pseudoliparis?swirei）的基因组，并解析了其独特的深海适应机制，相关成果一经发表引起各大媒体的广泛报道（2019，Nature ecology & evolution）。2019年至2024年该团队相继对深渊狮子鱼的嗅觉和视觉系统的适应性进行了深入分析，并首次对其肝脏组织脂质组和蛋白质组进行了解析，全面系统的阐述了马里亚纳海沟深渊狮子鱼的适应性演化机制（2019，GENES ；2023，eLife；2024, Water Biology and Security）。并先后对深海剑鱼 (Xiphias gladius) 和平鳍旗鱼 (Istiophorus platypterus)的恒温演化机制、深海月鱼（Lampris meggalopsis）和深海鳗鲡鱼（Ilyophis brunneus）深海适应的分子机制进行了深入的研究（2021，Molecular Biology and Evolution；2022，Zoological Research；2022，SCIENCE CHINA Life Sciences）。 深海以高压、低温和黑暗为特征，是地球上最极端的环境之一，却孕育了独特的生物群落。我国深潜装备技术的发展加快了深海特殊生境生物样品的采集，为深海生命科学研究提供了宝贵材料；多组学分析为解析深海生物成因与适应性演化提供了研究手段。基于前期积累的研究基础该团队再次取得系统性解析深渊鱼类的成因和适应性演化的新突破。 主要研究成果 研究对从西太平洋至中印度洋海域，深度1218米到7730米水深，超深渊海沟、海盆和断裂带，热液区及中国南海海域捕获的11种深海鱼类的基因组数据进行深入分析，构建了深海鱼类的"生命进化树"，揭示了脊椎动物征服深渊的史诗历程。结果表明，大多数现存的深海鱼类约在6500万年前的大灭绝事件后才进入深海区域，而少数更古老的深海鱼类类群在1亿年前就已经开始适应深海环境，并可能在连续的大灭绝事件中存活。进一步的研究发现深海鱼类基因组展现出较低的突变速率和较高的重复序列比例，同时，对深海黑暗环境也表现出不同层次的适应性变化。 研究团队进一步探讨了脊椎动物应对高压环境的分子机制。此前，能够在高压下稳定蛋白质结构的氧化三甲胺（TMAO）被认为是脊椎动物适应深海高压环境的“抗压神器”，随深度增加，鱼体内TMAO含量呈线性增加。团队通过测定不同深度鱼类肌肉组织中的TMAO含量，发现生存深度0-6000米的鱼类，TMAO含量随着深度增加而升高，但在6000米以下的深海鱼类则未出现这一趋势。这表明，TMAO并不能单独解释所有深海鱼类在高压下的适应机制，可能存在着更精妙的分子机制。 更为突破性的发现是，所有生存深度在3000米以下的深海鱼类均存在一种高度保守的rtf1基因突变（Q550L），进一步地体外实验表明该变突显著影响了转录效率，揭示了转录调控在深海高压适应中的潜在作用。这一发现为揭示深海生物压力适应的分子机制开辟了新的研究方向。 此外，团队还发现，来自马里亚纳海沟和菲律宾海沟的超深渊狮子鱼，其肝脏组织中富集了极高水平的多氯联苯（PCBs），这是一种常见的人工合成有机污染物。这一发现警示我们，人类活动已经对地球最深处的生物产生了深远的影响。 研究人员还对几种典型的深海鱼类的特异性的适应机制进行了深入的探讨，结果表明不同类群深海鱼类“各显身手“，对深海极端环境均展现出独特的适应机制。此外，该研究还对鱼类肌肉组织多种代谢物（脂肪酸、氨基酸及重金属污染物）和蛋白质组进行了全面的检测。另一方面，对不同超深渊海沟深渊狮子鱼群体遗传分析结果表明：深海洋流可能是深渊鱼类跨海沟基因交流的推动力。 随着人类探索深海的脚步加速进行，深海这片未知之地逐渐揭开神秘的面纱，该研究推进了我们对脊椎动物如何克服海洋最深区域环境挑战的理解，突出继续探索和保护这些独特深海生态系统的必要性。 该研究由中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院国际伙伴计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、海南省重大科技计划以及 “全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）”支持。 中国科学院深海科学与工程研究所徐涵博士后为本研究的第一作者，中国科学院水生生物研究所方成池副研究员与王成博士后、西北工业大学许文杰博士以及青岛华大基因研究院宋跃为本研究共同第一作者；何舜平研究员、王堃教授和张海滨研究员为本研究共同通讯作者。 论文链接： https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.002
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