深海海沟作为地球上最极端的生态系统之一，其深度超过6000米的哈达尔区（hadal zone）长期保持着三项严酷的环境特征：静水压力可达110兆帕（相当于1100个大气压）、温度恒定在1-4℃、终年无光且有机质输入稀少。尽管条件恶劣，这里依然形成了独特的宏底栖生物群落，其中端足类（Amphipoda）甲壳动物表现出显著的适应性辐射。
在众多端足类物种中，Hirondellea gigas（钩虾，以下简称H. gigas）的生态策略尤为突出，作为西北太平洋海沟的特有种，其垂直分布横跨6800-11000米深度梯度，承受着60-110兆帕的压力变化，是研究深海动物适应机制和种群动态的理想模型。
2025年3月，中国科学院深海研究所张海滨研究员团队等在主刊Cell上在线发表了“The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment”的研究论文，通过基因组学、转录组学、代谢组学等多组学数据分析，揭示H. gigas在深海环境中的适应机制和种群动态，为理解深海生物如何适应极端环境提供新的见解。（麦特绘谱提供TMAO定量检测服务）
研究设计
样本采集：研究团队从马里亚纳海沟（MT）、雅浦海沟（YT）和西菲律宾海盆中央裂谷（CBSC）采集了H. gigas样本，共622个个体，其中马里亚纳海沟510个个体，雅浦海沟94个个体，西菲律宾海盆中央裂谷18个个体。
基因组测序：对H. gigas进行了染色体水平的基因组组装，使用了PacBio HiFi-CCS技术，结合Hi-C技术，生成了13.92Gb的高质量基因组。此外，还对510个马里亚纳海沟个体进行了全基因组测序，以评估种群结构和动态。
多组学分析：整合了基因组学、转录组学、代谢组学和微生物组学等多种组学技术，以全面揭示H. gigas的适应机制和种群动态。
研究思路
图1. 研究思路图
研究结果
1. 基因组特征研究
基因组大小和结构：采用PacBio HiFi-CCS技术（488.57Gb数据）和Hi-C技术（1.54Tb数据）对H. gigas进行全基因组测序与组装，H. gigas的基因组大小为13.92Gb，其中约71.98%为重复序列，尤其是串联重复序列（TRs）占比较高，这可能是其基因组较大的主要原因之一。
基因预测和表达：预测了27,881个蛋白编码基因，表达率67.30%。与其他相关物种相比，H. gigas的内含子长度显著增加，主要是由于重复序列的插入，尤其是TRs和长散在核元件（LINEs）。
图2. H. gigas染色体水平组装及重复序列相关基因组特征
2. 种群动态研究
马里亚纳海沟种群的同质性：通过对马里亚纳海沟510个个体的全基因组测序分析发现，该海沟内的H. gigas种群在不同深度、不同年份和不同地点之间没有明显的遗传分化，显示出高度的遗传同质性，表明其具有在较宽的深度范围内耐受静水压力的能力。
不同海沟种群的遗传分化：西菲律宾海盆中央裂谷的H. gigas个体与马里亚纳海沟和雅浦海沟的个体在遗传上存在显著差异，这可能是由于地理隔离导致的。雅浦海沟的个体与马里亚纳海沟的个体部分混合，但存在一个明显的遗传分化岛，表明这两个海沟之间的种群也存在一定的遗传分化。
种群历史动态：通过PSMC（基于单个个体基因组数据推断种群历史动态的统计方法）方法分析种群历史，发现H. gigas在几百万年前经历了一次显著的种群规模下降，这与更新世期间的冰期-间冰期变化相吻合，表明这些气候变化可能对深海生物的种群动态产生了影响。
图3. 马里亚纳海沟、雅浦海沟、西菲律宾海盆中央裂谷的种群结构特征
3. 适应机制研究
宿主-共生微生物的相互作用：从PacBio HiFi-CCS测序数据和H. gigas种群数据中分离微生物序列，利用宏基因组学分析构建了一个包含44个独特宏基因组组装基因组（MAGs）的目录，这些基因组与H. gigas共生。其中，Psychromonas这一微生物在所有H. gigas个体中普遍存在，其平均丰度高达26.97%，且Psychromonas未在其他马里亚纳海沟的微生物研究中被发现，表明其与H. gigas之间可能存在特殊的共生关系，可能对H. gigas适应高压力和食物有限的深海环境至关重要。
TMAO（麦特绘谱提供检测服务）代谢途径：TMAO作为一种渗透压调节物质，在高静水压力条件下调节渗透压和维持细胞完整性方面发挥着关键作用。通过分析检测马里亚纳海沟的H. gigas样本的身体组织和肠道内容物中有机渗透压调节物质的含量，发现H. gigas体内TMAO的浓度随深度增加而升高，且在肠道内容物和身体组织中均呈现这一趋势。研究还发现H. gigas体内存在将TMA转化为TMAO的fmo3基因，而Psychromonas细菌基因组中则存在将TMAO还原为TMA的torYZ操纵子，这表明H. gigas和Psychromonas之间可能通过TMAO代谢途径相互协作，以适应深海的高压力环境。
纤维素代谢途径：低生产力和食物限制被认为是深海生物代谢的关键决定因素，H. gigas被认为具有消化木质残骸的能力。研究在H. gigas基因组中发现了四个内切葡聚糖酶基因，而在Psychromonas基因组中发现了将纤维二糖转化为D-葡萄糖的相关基因，进一步通过转录组测序和RT-PCR实验，研究者们验证了这些基因在H. gigas或共生Psychromonas基因组中的表达。这表明H. gigas和Psychromonas之间的互补功能基因可能共同完成纤维素代谢途径，从而增强其在食物有限的深海环境中的适应能力。
图4. H.gigas适应超深环境中的高静水压力机制研究
研究结论
H. gigas在马里亚纳海沟内具有高度的遗传同质性，表明其能够耐受较宽范围的深度变化，而不同海沟之间的种群则存在遗传分化，这可能与地理隔离有关。H. gigas的深海适应机制可能主要依赖于宿主与共生微生物之间的相互作用，特别是通过TMAO代谢途径来调节渗透压和维持细胞完整性，以及通过纤维素代谢途径增强其在食物有限的深海环境中的消化能力。为理解深海生物如何适应极端环境提供了新的见解，并为研究深海生态系统中的进化和生态学提供了重要的基础。
参考文献
The amphipod genome reveals population dynamics and adaptations to hadal environment. Cell. 2025
请扫描二维码阅读原文
绘谱帮你测
TMAO代谢途径一直是哺乳类动物肠道菌群与心脑血管疾病的研究热点，本研究采用质谱的定量检测服务揭示了TMAO途径在低等生物与共生物微生物交互、及环境适应过程中的新作用。
麦特绘谱开创性地搭建了医学领域高端代谢组学技术平台，覆盖了非靶向-全定量-代谢流等全方位的高端医学代谢组解决方案，同时全面布局微生物组学、转录组学和蛋白质组学等多组学技术服务，已成为全球多组学研究者的优选合作伙伴。麦特绘谱已为数百家三甲医院、科研院所和企业提供多组学一站式整体解决方案，协助客户与合作伙伴发表SCI文章500+篇，累计影响因子5000+，平均IF＞10，涵盖Cell, Science, Nature, Cancer Cell, Signal Trans-duction and Targeted Therapy, Nature Biotechnology, Cell Metabolism等顶级期刊。
