Cell | 環(huán)太平洋深淵魚類基因組，揭秘脊椎動物突破高壓生存禁區(qū)的適應(yīng)性重塑和演化軌跡
文章來源：徐涵 | 發(fā)布時間：2025-03-08 | 【打印】 【關(guān)閉】
2025年3月6日，由中國科學(xué)院全球深淵研究團隊何舜平研究員主導(dǎo)，聯(lián)合中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所、中國科學(xué)院水生生物研究所、西北工業(yè)大學(xué)等單位科研人員完成的深海魚類研究重大研究成果，以題為“Evolution and genetic adaptation of fishes to the deep sea”發(fā)表在國際頂級期刊《Cell》上。該研究是在中國科學(xué)院部署實施的全球深淵深潛探索計劃（Global TREnD）支持下，基于我國自主深潛技術(shù)獲取的深海及深淵魚類樣本庫，首次實現(xiàn)從基因到生態(tài)系統(tǒng)層面的多維度突破。
國之重器：助力深淵科考
該研究使用“探索一號”和“探索二號”科考船，以及我國自主研制的4500米級載人潛水器“深海勇士”號、全海深載人潛水器“奮斗者”號以及全海深著陸器“原位實驗”號、“天涯”號等裝備，通過對馬里亞納海溝、雅浦海溝、蒂阿曼蒂那深淵、瓦萊比-熱恩斯深淵、西南印度洋熱液、菲律賓海盆及南海等系列科考航次，覆蓋幾乎整個深海魚類棲息深度范圍（1218-7730米）的科學(xué)考察，獲得了6大典型深海魚類類群，共11種深海魚樣本，其中6種超深淵帶（>6,000米）樣本。
11種深海魚類的采樣信息和形態(tài)特征
科研積淀：深海魚類研究新突破
自2017年，何舜平研究員率領(lǐng)團隊開展深海魚類研究。2019年該團隊公布首個已知棲息深度最深的魚類類群：馬里亞納海溝超深淵獅子魚（Pseudoliparis?swirei）的基因組，并解析了其獨特的深海適應(yīng)機制，相關(guān)成果一經(jīng)發(fā)表引起各大媒體的廣泛報道（2019，Nature ecology & evolution）。2019年至2024年該團隊相繼對深淵獅子魚的嗅覺和視覺系統(tǒng)的適應(yīng)性進行了深入分析，并首次對其肝臟組織脂質(zhì)組和蛋白質(zhì)組進行了解析，全面系統(tǒng)的闡述了馬里亞納海溝深淵獅子魚的適應(yīng)性演化機制（2019，GENES ；2023，eLife；2024, Water Biology and Security）。并先后對深海劍魚 (Xiphias gladius) 和平鰭旗魚 (Istiophorus platypterus)的恒溫演化機制、深海月魚（Lampris meggalopsis）和深海鰻鱺魚（Ilyophis brunneus）深海適應(yīng)的分子機制進行了深入的研究（2021，Molecular Biology and Evolution；2022，Zoological Research；2022，SCIENCE CHINA Life Sciences）。
深海以高壓、低溫和黑暗為特征，是地球上最極端的環(huán)境之一，卻孕育了獨特的生物群落。我國深潛裝備技術(shù)的發(fā)展加快了深海特殊生境生物樣品的采集，為深海生命科學(xué)研究提供了寶貴材料；多組學(xué)分析為解析深海生物成因與適應(yīng)性演化提供了研究手段。基于前期積累的研究基礎(chǔ)該團隊再次取得系統(tǒng)性解析深淵魚類的成因和適應(yīng)性演化的新突破。
主要研究成果
圖文摘要
研究對從西太平洋至中印度洋海域，深度1218米到7730米水深，超深淵海溝、海盆和斷裂帶，熱液區(qū)及中國南海海域捕獲的11種深海魚類的基因組數(shù)據(jù)進行深入分析，構(gòu)建了深海魚類的"生命進化樹"，揭示了脊椎動物征服深淵的史詩歷程。結(jié)果表明，大多數(shù)現(xiàn)存的深海魚類約在6500萬年前的大滅絕事件后才進入深海區(qū)域，而少數(shù)更古老的深海魚類類群在1億年前就已經(jīng)開始適應(yīng)深海環(huán)境，并可能在連續(xù)的大滅絕事件中存活。進一步的研究發(fā)現(xiàn)深海魚類基因組展現(xiàn)出較低的突變速率和較高的重復(fù)序列比例，同時，對深海黑暗環(huán)境也表現(xiàn)出不同層次的適應(yīng)性變化。
研究團隊進一步探討了脊椎動物應(yīng)對高壓環(huán)境的分子機制。此前，能夠在高壓下穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的氧化三甲胺（TMAO）被認(rèn)為是脊椎動物適應(yīng)深海高壓環(huán)境的“抗壓神器”，隨深度增加，魚體內(nèi)TMAO含量呈線性增加。團隊通過測定不同深度魚類肌肉組織中的TMAO含量，發(fā)現(xiàn)生存深度0-6000米的魚類，TMAO含量隨著深度增加而升高，但在6000米以下的深海魚類則未出現(xiàn)這一趨勢。這表明，TMAO并不能單獨解釋所有深海魚類在高壓下的適應(yīng)機制，可能存在著更精妙的分子機制。
更為突破性的發(fā)現(xiàn)是，所有生存深度在3000米以下的深海魚類均存在一種高度保守的rtf1基因突變（Q550L），進一步地體外實驗表明該變突顯著影響了轉(zhuǎn)錄效率，揭示了轉(zhuǎn)錄調(diào)控在深海高壓適應(yīng)中的潛在作用。這一發(fā)現(xiàn)為揭示深海生物壓力適應(yīng)的分子機制開辟了新的研究方向。
此外，團隊還發(fā)現(xiàn)，來自馬里亞納海溝和菲律賓海溝的超深淵獅子魚，其肝臟組織中富集了極高水平的多氯聯(lián)苯（PCBs），這是一種常見的人工合成有機污染物。這一發(fā)現(xiàn)警示我們，人類活動已經(jīng)對地球最深處的生物產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
研究人員還對幾種典型的深海魚類的特異性的適應(yīng)機制進行了深入的探討，結(jié)果表明不同類群深海魚類“各顯身手“，對深海極端環(huán)境均展現(xiàn)出獨特的適應(yīng)機制。此外，該研究還對魚類肌肉組織多種代謝物（脂肪酸、氨基酸及重金屬污染物）和蛋白質(zhì)組進行了全面的檢測。另一方面，對不同超深淵海溝深淵獅子魚群體遺傳分析結(jié)果表明：深海洋流可能是深淵魚類跨海溝基因交流的推動力。
隨著人類探索深海的腳步加速進行，深海這片未知之地逐漸揭開神秘的面紗，該研究推進了我們對脊椎動物如何克服海洋最深區(qū)域環(huán)境挑戰(zhàn)的理解，突出繼續(xù)探索和保護這些獨特深海生態(tài)系統(tǒng)的必要性。
該研究由中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、中國科學(xué)院國際伙伴計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、海南省重大科技計劃以及 “全球深淵深潛探索計劃（Global TREnD）”支持。
中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所徐涵博士后為本研究的第一作者，中國科學(xué)院水生生物研究所方成池副研究員與王成博士后、西北工業(yè)大學(xué)許文杰博士以及青島華大基因研究院宋躍為本研究共同第一作者；何舜平研究員、王堃教授和張海濱研究員為本研究共同通訊作者。
論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.002
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