世界顶级期刊《Cell》刊文！中国科学院全球深渊研究团队及其合作者揭秘深渊生物如何突破高压生存禁区！

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近日，中国科学院全球深渊研究团队联合西北工业大学、华大生命科学研究院等国内多家高校和科研单位针对深渊生命研究主题，分别以“Evolution and genetic adaptation of fishes to the deep sea”（何舜平研究团队）、“The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment”（张海滨研究团队）为题，在国际学术期刊《Cell》发表论文。该系列研究历经十年的努力，得到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，尤其是近年来中国科学院部署实施的“全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）”等项目支持，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获得的深海深渊生物样本研究，开展从基因到生态系统层面的多维度研究。

全球深渊深潜探索计划：引领国际深渊科学发展

深渊（超过6000米的深海区域），具有超高静水压力、黑暗、低温、构造活跃等特点。这些极端特性对动物的生存造成巨大挑战，因此长久以来这里被认为是复杂生命的禁区。但是，随着深渊科考的发展和进步，人类在深渊底部不仅发现了丰富的微生物，还观测到多种多样的大型无脊椎动物，甚至鱼类等脊椎动物。这些动物是从何处起源的？又是如何适应深渊极端环境？有怎样的演化历史？这些问题一直以来都是科学界关注的重点。

2014年，中国科学院启动“海斗深渊前沿科技问题研究与攻关”战略先导B类专项，提出“深渊探索计划（HADSTEP）”，于2016年率先突破马里亚纳海沟万米禁区科考，开启了我国深海研究的万米时代。2022年初，作为上述计划的延续，“全球深渊深潜探索计划（Global TREnD）”依托国际上唯一的强作业能力万米载人潜水器“奋斗者”号以及探索系列科考船为全球深渊研究平台，进一步开展多国联合、多学科综合深潜考察。该计划得到了来自新西兰、智利、丹麦、印度尼西亚、俄罗斯、法国、葡萄牙、巴西、日本、德国等10个国家的参与和支持，共同探索推动深渊学科发展及全球热点议题。在该计划的支持下，深海所联合国内外多家高校及科研单位对马里亚纳、雅浦、克马德克、蒂阿曼蒂那、瓦莱比-热恩斯、爪哇、千叶-勘察加、阿留申、普伊斯哥等九条全球主要海沟深渊进行了载人深潜科考。目前，该团队正在位于西风带的普伊斯哥深渊开展探索工作。

万米深渊钩虾基因组揭示其环境适应性和种群历史

端足目钩虾（Hirondellea gigas）是深渊中的优势种，其分布水深在马里亚纳海沟可达万米。张海滨团队首次通过染色体水平基因组和群体遗传学分析，并综合转录组、宏基因组、代谢组等多组学数据，揭示H. gigas的群体分化、种群动态历史以及适应深渊环境的分子机制。

研究团队利用PacBio HiFi长读长测序和Hi-C三维基因组技术，成功组装了H. gigas的染色体水平的高质量基因组（13.92 Gb）。基因组分析揭示了其两大主要特征：内含子延长和重复序列扩张。这些重复的产生可能与深渊极端环境的适应有关。

同时，研究团队对马里亚纳海沟的510只、雅浦海沟94只及西菲律宾海盆深渊区的18只个体进行了高覆盖的全基因组重测序和群体遗传学分析，结果表明生活在马里亚纳海沟内的钩虾是一个完全混合的群体，在垂直深度上，高静水压不会限制其在海沟内的自由迁移。西菲律宾海盆的钩虾群体与马里亚纳海沟/雅浦海沟表现出明显的遗传分化，表明海沟间的地理隔离阻碍了群体间的基因交流。

研究结果显示H. gigas的有效种群在约100万年前经历了一次急剧下降，这与更新世深海温度的大幅波动高度吻合。经过遗传瓶颈后，钩虾群体又经历了种群扩张。这一结果说明，更新世时期大的冰期-间冰期气候变化可能不仅造成了陆地大型动物的大规模灭绝，而且也深刻影响了深海甚至深渊动物。

研究团队通过宏基因组和代谢组学整合分析揭示了H.gigas与共生菌的协同合作可能是钩虾适应深渊极高静水压环境的关键。其中，氧化三甲胺（TMAO）是一种渗透调节物质，在渗透压调节以及在高静水压条件下维持细胞完整性方面发挥着重要作用。钩虾可能与其优势共生菌Psychomonas一起合作调控体内的TMAO浓度，形成动态平衡。

极低的生产力和有限的食物被认为是制约深海生物代谢的关键因素之一。本研究在H.gigas基因组及共生菌Psychomonas中发现了多个基因，可以共同形成完整的纤维素代谢通路。这一机制可能最终促使H.gigas能够高效利用深渊食物资源，从而在食物匮乏的深渊海沟中成为优势类群。

目前，理解动物如何适应深渊仍然是一个科学难题。H. gigas的基因组是全球已发表的“最深”的动物基因组，其群体研究产出的数据量是迄今为止全球最大规模的单一海洋物种重测序，为研究深渊生态系统提供了宝贵的数据资源。本研究结果也为深入理解生命如何适应深渊环境提供了新的见解。

环太平洋深渊鱼类基因组，揭秘脊椎动物突破高压生存禁区的适应性重塑和演化轨迹

何舜平团队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，本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，本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。

论文链接：

Zhang et al., The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment, Cell (2025), https://doi.org/ 10.1016/j.cell.2025.01.030

Xu et al., Evolution and genetic adaptation of fishes to the deep sea, Cell (2025), https://doi.org/ 10.1016/j.cell.2025.01.002

网址：世界顶级期刊《Cell》刊文！中国科学院全球深渊研究团队及其合作者揭秘深渊生物如何突破高压生存禁区！ https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1067028

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