中國水科院在極地與深海基因資源發掘及環境適應機制方面取得系列研究進展！

極地海洋與深海作為地球上復雜且特殊的海洋生態系統，常年面臨著低溫、高擾動等極端環境的嚴峻挑戰，但卻孕育出復雜而多樣的海洋生物，展現了生命體在地球極端條件下的顯著韌性和多樣性。海洋生物的極端環境適應性是一個復雜的生物學問題，涉及基因組結構及表達特征的變化、群體遺傳多樣性的重塑、微生物共生關系的建立等多個方面，進而引發海洋生物生理、行為改變的一系列生態適應和進化過程。

南極磷蝦是極地南大洋生態系統中資源量最豐富的奠基性物種，深海珊瑚則是深海生態系統形成的關鍵工程物種。依托國家海洋水產種質資源庫，中國水產科學研究院黃海水產研究所邵長偉研究員團隊以南極磷蝦和深海珊瑚為研究對象，綜合運用基因組、宏基因組等多組學技術，發掘了極地和深海生物海量基因資源，進一步從宿主基因組進化、線粒體適應性到宿主-共生菌協同互作等多個維度，成功揭示了極端環境生物適應的通用法則與獨特策略。上述工作將國家庫保藏的海洋生物基因資源發掘范圍由近海、遠洋拓展到極地海洋與深海，開辟了海洋生物基因資源高效開發與利用的新途徑。相關成果發表于《Cell》（封面論文）、《Cell Host & Microbe》《Zoological Research》（封面論文）、《mSystems》《BMC genomics》等國際知名期刊。

面對南極劇烈的季節變化，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座元件的爆發性擴張。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，為實現與極端光周期的高度同步奠定了分子基礎。種群基因組分析進一步表明，盡管磷蝦群體在環南極尺度上呈現高度均質化，但微弱的環境選擇信號正塑造著其遺傳結構，歷史動態更與百萬年來的全球氣候變化事件相耦合（Cell，2023）。此外，通過南極磷蝦80個個體線粒體的群體基因組學分析，發現南極磷蝦線粒體具有極高的遺傳多樣性，并經歷了近期的種群擴張。線粒體蛋白編碼基因均受到強烈的純化選擇，表明其核心能量代謝功能在極端環境下高度保守（BMC Genomics，2025）。

南極磷蝦基因組變化揭示了對南極環境適應的機制

除了自身基因組創新，南極磷蝦還通過與腸道共生菌建立高效的協同關系適應極端的環境。團隊首次系統解析了南極磷蝦腸道菌群的功能，鑒定出12個高豐度的新菌群，根據代謝潛能將它們分為兩大功能簇，分別參與宿主降解有機物過程和合成宿主所需多種氨基酸、維生素。轉錄組數據證實腸道共生菌代謝活躍，它們如同一個內置的、可動態調控的營養補給站和抗氧化劑合成工廠，極大地增強了南極磷蝦在營養波動和氧化應激環境中的生存韌性（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。研究團隊對來自南海的八方珊瑚與六方珊瑚研究發現，深海珊瑚的線粒體進化速率極為緩慢。線粒體基因排列順序高度保守，13個蛋白編碼基因均受純化選擇主導。這種以不變應萬變的進化策略，可能與深海環境長期穩定及其體內特有的DNA修復蛋白有關，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全貌。研究團隊進一步繪制了偽交替深海黑珊瑚染色體水平的基因組圖譜，發現轉座元件的近期爆發與有效種群大小的峰值同步，可能驅動了基因組的重塑與適應。深海黑珊瑚在營養轉運、免疫識別和溶酶體消化等相關基因家族的顯著擴張，為它容納并管理共生菌群奠定了堅實的遺傳平臺（Cell Host & Microbe，2025）。

珊瑚線粒體基因 Ka/Ks與環境變量之間的 Mantel 檢驗

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出精簡而穩定的特征。通過多地點、多深度樣本證實其體內主要由三大類共生菌主導，主要集中于水螅體的中膠層，形成一個高度特化的內部微生態系統。這種簡化模式暗示著宿主通過長期協同進化，主動篩選并維系了一個功能互補、效率極高的核心共生群體。此外，研究提出了宿主-共生菌穩態調控分子模型，即宿主通過免疫反應、吞噬與溶酶體消化等機制，有效維持與共生菌的平衡，實現長期穩定共存（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系統，雖遠隔重洋，卻揭示了極端環境下共同的生存智慧：一方面，生物通過自身基因組的可塑性構建適應性根基；另一方面，它們均發展與微生物的共生聯盟實現個體能力的超越。這些研究從遺傳基礎和生態策略層面闡明了關鍵物種適應并維系極端生態系統的內在機制，為評估未來環境變化對海洋生物資源的影響提供了理論基礎，也為海洋生物基因資源的可持續開發利用提供了關鍵的技術路徑。

文章鏈接：

Shao, C., Sun, S., Liu, K., Wang, J., Li, S., Liu, Q., Deagle, B., Seim, I., Biscontin, A., Wang, Q., et al. (2023). The enormous repetitive Antarctic krill genome reveals environmental adaptations and population insights. Cell 186, 1279-1294. 10.1016/j.cell.2023.02.005.

Sun, S., Li, S., Seim, I., Du, X., Yang, X., Liu, K., Wei, Z., Shao, C., Fan, G., and Liu, X. (2025). Complete mitogenomes reveal high diversity and recent population dynamics in Antarctic krill. BMC Genomics 26, 419. 10.1186/s12864-025-11579-w.

Wei, Z., Meng, L., Du, S., Wang, F., Jiang, A., Lu, R., Liu, K., Wang, X., Xu, Q., Mu, X., et al. (2025). Metabolic potentials of the gut microbes in Antarctic krill (Euphausia superba). mSystems 10, e00377-00325. 10.1128/msystems.00377-25

Wei, Z., Lan, Y., Meng, L., Wang, H., Li, L., Li, Y., Zhang N., Lu, R., Cui, Z., Song, Y., et al. (2025). Hologenomic Insights into the Molecular Adaptation of Deep-sea Coral Bathypathes pseudoalternata. Cell Host & Microbe. 10.1016/j.chom.2025.10.020

Wei, Z., Ta, K., Zhang N., Liu S., Meng L., Cai C., Peng X., and Shao C. (2024). Molecular phylogenetic relationship based on mitochondrial genomes within novel deep-sea corals (Octocorallia: Alcyonacea) insights into the slow evolution and adaptation of the extreme deep-sea environment. Zoological Research. 10.24272/j.issn.2095-8137.2023.039

Wei, Z., Yang, Y., Meng, L., Zhang, N., Liu, K., Meng, L., Li, Y., and Shao, C. (2024). The Mitogenomic Landscape of Hexacorallia Corals: Insight into Their Slow Evolution. International Journal of Molecular Sciences 25, 8218. 10.3390/ijms25158218.

• 信息來源：中國水科院。

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