Cell | 環太平洋深淵魚類基因組，揭秘脊椎動物突破高壓生存禁區的適應性重塑和演化軌跡
文章來源：徐涵 | 發布時間：2025-03-08 | 【打印】 【關閉】
2025年3月6日，由中國科學院全球深淵研究團隊何舜平研究員主導，聯合中國科學院深海科學與工程研究所、中國科學院水生生物研究所、西北工業大學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”發表在國際頂級期刊《Cell》上。該研究是在中國科學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獲取的深海及深淵魚類樣本庫，首次實現從基因到生態系統層面的多維度突破。
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機制，相關成果一經發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的適應性進行了深入分析，并首次對其肝臟組織脂質組和蛋白質組進行了解析，全面系統的闡述了馬里亞納海溝深淵獅子魚的適應性演化機制（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境之一，卻孕育了獨特的生物群落。我國深潛裝備技術的發展加快了深海特殊生境生物樣品的采集，為深海生命科學研究提供了寶貴材料；多組學分析為解析深海生物成因與適應性演化提供了研究手段。基于前期積累的研究基礎該團隊再次取得系統性解析深淵魚類的成因和適應性演化的新突破。
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，熱液區及中國南海海域捕獲的11種深海魚類的基因組數據進行深入分析，構建了深海魚類的"生命進化樹"，揭示了脊椎動物征服深淵的史詩歷程。結果表明，大多數現存的深海魚類約在6500萬年前的大滅絕事件后才進入深海區域，而少數更古老的深海魚類類群在1億年前就已經開始適應深海環境，并可能在連續的大滅絕事件中存活。進一步的研究發現深海魚類基因組展現出較低的突變速率和較高的重復序列比例，同時，對深海黑暗環境也表現出不同層次的適應性變化。
研究團隊進一步探討了脊椎動物應對高壓環境的分子機制。此前，能夠在高壓下穩定蛋白質結構的氧化三甲胺（TMAO）被認為是脊椎動物適應深海高壓環境的“抗壓神器”，隨深度增加，魚體內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，發現生存深度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機制，可能存在著更精妙的分子機制。
更為突破性的發現是，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錄效率，揭示了轉錄調控在深海高壓適應中的潛在作用。這一發現為揭示深海生物壓力適應的分子機制開辟了新的研究方向。
此外，團隊還發現，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苯（PCBs），這是一種常見的人工合成有機污染物。這一發現警示我們，人類活動已經對地球最深處的生物產生了深遠的影響。
研究人員還對幾種典型的深海魚類的特異性的適應機制進行了深入的探討，結果表明不同類群深海魚類“各顯身手“，對深海極端環境均展現出獨特的適應機制。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域環境挑戰的理解，突出繼續探索和保護這些獨特深海生態系統的必要性。
該研究由中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、中國科學院國際伙伴計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、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。
中國科學院深海科學與工程研究所徐涵博士后為本研究的第一作者，中國科學院水生生物研究所方成池副研究員與王成博士后、西北工業大學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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