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近日，Cell Press旗下綜述期刊Trends in Genetics發(fā)表了深海所張海濱研究員團(tuán)隊(duì)撰寫的文章“Genetic adaptations of marine invertebrates to hydrothermal vent habitats”，該文章綜述了近年來有關(guān)海洋無脊椎動(dòng)物對深海熱液環(huán)境遺傳適應(yīng)的研究進(jìn)展，探討了熱液生物適應(yīng)極端環(huán)境的分子機(jī)制。

熱液噴口是深海中獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有高溫、缺氧、高硫化物、高金屬濃度和黑暗等特征的極端環(huán)境，對生物構(gòu)成了巨大的生存挑戰(zhàn)，但同時(shí)也孕育了獨(dú)特的生物群落。無脊椎動(dòng)物，尤其是環(huán)節(jié)動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物和軟體動(dòng)物，占據(jù)了深海熱液生物群落的主導(dǎo)地位。它們通過一系列復(fù)雜的遺傳適應(yīng)策略，成功在熱液極端環(huán)境中生存和繁衍。這些適應(yīng)策略包括對高溫的耐受性、在低氧條件下的代謝調(diào)節(jié)、對硫化物的解毒能力、對重金屬的積累與解毒機(jī)制，以及在黑暗環(huán)境中的感光和行為適應(yīng)等。

全球熱液噴口分布及熱液區(qū)的典型無脊椎動(dòng)物

近年來，科學(xué)家們利用新一代測序技術(shù)，對無脊椎動(dòng)物尤其是環(huán)節(jié)動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物和軟體動(dòng)物的基因組和轉(zhuǎn)錄組等組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，揭示了它們對于低氧、重金屬、硫化物和黑暗等極端環(huán)境條件適應(yīng)的分子機(jī)制。例如，一些物種通過基因的正向選擇和擴(kuò)增，增強(qiáng)了熱休克蛋白的表達(dá)，以抵御高溫帶來的損傷。在缺氧條件下，它們通過調(diào)整血紅蛋白和其他氧結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，以提高氧氣的獲取和運(yùn)輸效率。一些物種通過代謝途徑的調(diào)整和解毒酶系的強(qiáng)化，有效管理硫化物和重金屬的毒性。而共生關(guān)系在熱液噴口生態(tài)系統(tǒng)中扮演了重要角色。許多無脊椎動(dòng)物與硫化物氧化細(xì)菌建立了共生關(guān)系，這些細(xì)菌不僅為宿主提供營養(yǎng)，還幫助宿主解毒。這種共生關(guān)系的形成和維持涉及復(fù)雜的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制和基因表達(dá)調(diào)控。此外，在深海的常年黑暗環(huán)境中，許多物種在感知光的能力和節(jié)律調(diào)節(jié)上也發(fā)生了適應(yīng)性遺傳變化。

無脊椎動(dòng)物適應(yīng)深海熱液環(huán)境的關(guān)鍵基因?

盡管近年來在深海熱液無脊椎動(dòng)物的遺傳適應(yīng)研究中取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如深海樣本采集技術(shù)的局限性、采集過程中基因表達(dá)分析的偏差和深海極端環(huán)境模擬裝備的缺乏等。未來的研究需要更完備的樣品采集方法和更先進(jìn)的深海環(huán)境模擬技術(shù)，以進(jìn)一步揭示這些生物在極端環(huán)境中生存的遺傳奧秘。此外，表觀遺傳學(xué)、單細(xì)胞RNA測序技術(shù)和CRISPR-Cas編輯技術(shù)的應(yīng)用，將為深海無脊椎動(dòng)物的適應(yīng)性研究提供新的視角和工具。總的來講，隨著深海探測技術(shù)的發(fā)展和新方法的涌現(xiàn)，人類有望在未來對深海熱液生物的遺傳適應(yīng)機(jī)制獲得更加全面和深入的理解。

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論文信息: Zhang, Haibin, Yang Zhou, and Zhuo Yang. "Genetic adaptations of marine invertebrates to hydrothermal vent habitats."?Trends in Genetics?(2024).