近日，深海所张海滨研究团队在Science子刊Science Advances（一区 TOP) 上在线发表了题为《Genetic adaptations of sea anemone to hydrothermal environment》的研究论文。该研究破解了中印度洋(Central Indian Ridge)Edmond热液口海葵（Alvinactis idsseensis sp. nov.）的染色体水平的基因组，解析了海葵在深海热液极端环境中的生存机制。
深海热液喷口的特征是极端的温度和压力、高浓度金属离子、有毒化学物质和常年黑暗，但大量生物却在此繁衍生息，建立了一个独特而有趣的生态系统。Edmond和Kairei是中印度洋脊上具有高度地理连通性的两个热液口，其多种金属离子(如Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+)的含量远高于周围海水。该海葵是生活在Edmond热液口的优势物种，常见于硫化物丰富的热液喷口周边区(栖息环境温度为1 ~ 2 )，主要通过捕食盲虾获取营养，但针对该海葵对极端环境适应机制的研究较少。
图1 采样信息
研究团队通过比较基因组分析发现，该海葵基因组中分别有736/31个基因家族显著扩增/收缩。扩增基因家族主要与金属离子的结合、细胞膜和应激反应相关，其中与金属离子耐受相关的MTPs基因家族显著扩张，转录组分析发现大多数MTP基因主要在触手中表达。由于MTP基因在无脊椎动物中研究较少，为了更好地了解MTPs的功能，研究人员利用酵母表达系统对其进行功能验证，结果发现携带MTP的酵母细胞只能在含有高浓度Fe2+和Mn2+的培养基中生长，这证明MTP可以帮助该海葵耐受Edmond热液口环境中高浓度的Fe2+和Mn2+。
尽管Fe2+是所有生物体中支持氧运输等生物功能蛋白的必要成分，但过量的铁会导致过氧化物的产生。因此，维持细胞铁稳态对生物体的正常分子功能极为重要。该研究发现fech基因在高度保守的亚铁螯合酶结构域中检测到正选择信号位点(P283H)和突变位点 (N279H)，这表明 fech基因可能增加了该海葵与铁或其他金属离子的结合能力。此外，还发现与Fe-S簇的形成相关基因（nfs和fxn ）发生了正选择，这些基因之间协作可能在该海葵中维持细胞金属离子的稳态中起重要作用。
图2 深海海葵对金属离子的适应性
高静水压力会影响细胞膜流动性、蛋白质稳定性、DNA 结构和细胞骨架等，该研究结合团队已发表的深海海葵（Paraphelliactis xishaensis）基因组，通过分析发现在两个深海海葵中有22个基因家族发生了共同扩张，富集分析发现这些基因家族与DNA修复和细胞膜有关。为进一步分析高静水压力对于细胞膜功能的影响，研究人员比较了该海葵和浅海海葵的总脂含量，发现该海葵相对于浅海海葵具有较高含量的多不饱和脂肪酸。有趣的是，参与不饱和脂肪酸合成的多个基因（fasn, acss3, pfi,和 Rv3720）发生了改变，其中fasn 基因在马里亚纳狮子鱼Pseudoliparis swirei 基因组中同样发生扩张，这可能是深海生物应对高静水压力的趋同进化。
图3 深海海葵的深海高静水压力适应
研究发现该海葵可能通过更加敏感的视蛋白增强红外感知能力以帮助其在黑暗环境中捕食盲虾，并存在完整的昼夜节律通路基因，这些改变可能有助于该海葵在热液环境中生存。
论文第一作者为周洋博士，张海滨研究员为论文通讯作者。深海所为第一作者单位和通讯作者单位。该研究得到了中国科学院先导专项、海南省重大科技计划等项目的支持。
论文信息：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).
论文连接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh0474
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