Cell刊發(fā)海洋所深海生物超強耐餓機制研究成果
深海水虱是在深海生活且體型巨大的一類甲殼動物,其作為“絕食冠軍”的報道曾引起全世界廣泛關(guān)注。在缺乏穩(wěn)定食物供給的情況下可存活五年之久,這一驚人的“耐饑餓”能力長期以來被認為是深海寡營養(yǎng)環(huán)境適應生物學研究領(lǐng)域的未解之謎。近日,中國科學院海洋研究所甲殼動物生殖與遺傳工程研究組聯(lián)合香港中文大學和西北工業(yè)大學等單位,通過多層次組學數(shù)據(jù)聯(lián)合分析以及生物學功能驗證,率先揭開了深海水虱超強絕食能力的奧秘——它們從共生微生物中獲取能量代謝相關(guān)基因ND1,并通過遺傳和表觀遺傳調(diào)控,實現(xiàn)了其在低代謝率下對能量的高效利用。相關(guān)成果以長文形式發(fā)表于國際頂級期刊Cell,為深海生物適應極端環(huán)境研究提供了全新視角。

圖1 詹姆斯深水虱(Bathynomus jamesi)和道氏深水虱(Bathynomus doederleini)
深海環(huán)境黑暗、寒冷、食物極度匱乏,如何克服深海寡營養(yǎng)環(huán)境對其生存造成的威脅,是深海生物適應環(huán)境面臨的最大挑戰(zhàn)。早在2014年,深海水虱就因其能絕食五年以上的報道而震驚世界。更令人詫異的是,這些等足類甲殼動物會遵循 “柯普-伯格曼法則”(Cope-Bergman’s rule),其體型隨棲息地深度的增加而呈現(xiàn)巨大化現(xiàn)象。這就形成了一個鮮明的能量悖論:體型巨大化意味著動物具有更高的能量需求,而深海寡營養(yǎng)環(huán)境卻難以提供充足的能量供給。對這一悖論的解答將為揭示深海生物超長耐饑餓機制和寡營養(yǎng)環(huán)境的獨特適應策略提供重要理論依據(jù)。
研究團隊發(fā)現(xiàn),深海水虱為應對寡營養(yǎng)環(huán)境,演化出一套“開源節(jié)流”的雙重生存策略:一是擁有容量巨大且可儲存大量食物的胃,二是維持極低的基礎代謝率。深海水虱的胃占據(jù)整個身體的2/3左右,遠超過在近?;虺遍g帶生活的近緣物種。進一步分析發(fā)現(xiàn),其充滿食物且體積巨大的胃中利于食物消化的厚壁菌等微生物的占比不高,反而特異性聚集了與脂質(zhì)存儲相關(guān)的衣原體,有效降低了食物消耗速率,并推動了其獨特能量存儲器官——脂肪體的形成。多項生理指標的檢測顯示,深海水虱的基礎代謝率明顯低于近緣物種。這些特征表明,深海水虱可能通過機會性暴食儲存食物,再通過降低其基礎代謝率,從而延長食物在胃中的駐留時間。

圖2 深海水虱的超強耐餓機制解析

圖3 深海水虱適應深海寡營養(yǎng)環(huán)境的雙重策略
進一步研究發(fā)現(xiàn),深海水虱超長絕食能力的獲得與一個從外源共生細菌中水平轉(zhuǎn)移并整合到其基因組上的基因(ND1)密切相關(guān)。該基因與能量代謝途徑中關(guān)鍵基因——電子傳遞鏈復合體I同源,提示其可能參與能量代謝過程。非常有趣的是,作為從外源微生物獲得的基因,ND1打破了水平基因轉(zhuǎn)移事件的兩項固有限制——轉(zhuǎn)移后的基因加倍和超高的表達水平。而且,本研究在深海水虱中發(fā)現(xiàn)了一種通過組蛋白表觀修飾實現(xiàn)“高效節(jié)能、精準調(diào)控”的基因表達調(diào)控模式,而ND1的超高表達就是受到了組蛋白乙酰化修飾的精準調(diào)控。
功能實驗顯示,將ND1基因敲入的斑馬魚、線蟲、293T細胞在常溫下均加速了能量代謝過程,反而變得不耐饑餓。然而在低溫條件下(模擬深海低溫環(huán)境,可降低基礎代謝水平),ND1的敲入?yún)s能有效抑制能量代謝過程,降低線粒體活性,使得斑馬魚耐饑餓能力提升37%。相關(guān)研究結(jié)果表明,ND1作為線粒體代謝網(wǎng)絡的調(diào)節(jié)因子,能夠特異性微調(diào)代謝抑制程度,從而解決了深海環(huán)境中“體型巨大化對能量的高需求”與“極端環(huán)境下對代謝抑制的必要性”之間如何巧妙權(quán)衡的難題。

圖4古老水平轉(zhuǎn)移基因ND1及其超高表達的組蛋白乙?;揎椪{(diào)控機制解析

圖5 通過模式生物基因敲入解析ND1的耐饑餓分子調(diào)控功能
該研究首次揭示了深海巨型動物通過“水平基因轉(zhuǎn)移+表觀遺傳優(yōu)化”來重新編程自身能量分配的全新進化策略,不僅成功解開了深海水虱超長耐饑餓之謎,也為理解極端環(huán)境下生命如何權(quán)衡生長與生存提供了重要范例。
中國科學院海洋研究所袁劍波研究員、張曉軍研究員、李詩豪研究員和西北工業(yè)大學王堃教授、首都醫(yī)科大學孫亞民教授為該文的共同第一作者,中國科學院海洋所的李富花研究員、相建海研究員和香港中文大學朱嘉濠教授為文章通訊作者。該研究得到山東省自然科學基金、國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃等項目的聯(lián)合資助。
論文信息:
Jianbo Yuan#, Xiaojun Zhang#, Shihao Li#, Kun Wang#, Yamin Sun#, Man Luo, Yang Su, Qi Kou, Chengzhang Liu, Yang Yu, Roujing Li, Long Wang, Xinzheng Li, Kahou Chu*, Jianhai Xiang*, Fuhua Li*. Deep-sea megafauna co-opts microbial energy metabolism genes to withstand ultra-long starvation. Cell, 2026, DOI: 10.1016/j.cell.2026.05.012
https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.05.012
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