近日，中国科学院海洋研究所甲壳动物和棘皮动物系统分类与进化研究组在深海化能极端环境生物适应演化机制方面取得新进展。研究团队以西北太平洋深海化能合成生态系统的关键奠基物种——柯氏潜铠虾（Shinkaia crosnieri）为对象，通过整合染色体水平基因组、群体基因组、原位转录组及共生微生物宏基因组数据，系统揭示了深海热液与冷泉不同地球化学环境下宿主遗传分化与共生菌代谢专化的协同响应，及其通过宿主-共生菌功能耦合促进深海生物适应与早期分化的潜在机制。相关成果以封面论文形式发表于国际进化生物学期刊Molecular Biology and Evolution。

深海热液、冷泉生态系统环境极端，依赖共生微生物的化能合成作用支撑了独特的生物群落，是深海生物多样性的热点区域。这类生境呈斑块化分布，在地质时间尺度上相对不稳定，其独特的生物地理学特征使其生物演化过程有别于浅海生态系统。热液与冷泉虽同属化能合成生态系统，却具有不同的地质成因和地球化学特征。然而，深海化能合成生态系统中生物多样性如何形成存在关键认知瓶颈：宿主与共生微生物的互作如何促进深海动物对不同化能环境的适应与分化。以往研究多集中于宿主遗传适应或共生菌多样性单一层面，未能将环境地球化学与宿主－共生菌互作纳入统一分析框架。

研究团队首先构建了柯氏潜铠虾高质量染色体水平参考基因组，为首个深海化能甲壳动物基因组。比较基因组分析发现，柯氏潜铠虾视觉相关基因家族明显收缩，化学感知相关基因家族显著扩张；参与氧气运输的血蓝蛋白基因也发生扩张并呈现适应性序列变化。这些基因组特征为理解其在黑暗、低氧等深海环境中的适应提供了重要的分子线索。群体基因组分析进一步表明，尽管洋流可能连通南海冷泉与冲绳海槽热液区，两地种群仍表现出显著遗传分化，在化学感知、免疫调控及环境胁迫响应相关基因存在明显差异。这些差异不仅体现在DNA序列变异上，还涉及基因拷贝数变异和表达水平的改变，揭示了宿主基因组对不同地球化学环境的适应性分化。

图1 柯氏潜铠虾适应深海黑暗与低氧环境的基因组特征

图2 热液与冷泉柯氏潜铠虾种群的基因拷贝数变异及其功能分化

除了自身适应外，与化能自养微生物共生是大型生物适应深海化能极端环境的关键。宏基因组研究发现，柯氏潜铠虾腹部羽状刚毛上的外共生微生物在两类生境中呈现明显的群落组成与代谢功能差异：热液区以硫氧化细菌为主，冷泉区则富集甲烷氧化细菌，反映了外共生菌对当地化学能源的差异化利用。进一步分析发现，潜铠虾自身部分必需氨基酸和维生素的合成途径不完整，而共生菌具有相应的合成潜力，二者形成营养代谢上的互补关系。尤其在冷泉群落中，优势甲烷氧化共生菌的辅酶Q和四氢叶酸合成潜力增强，同时冷泉潜铠虾中负责相关营养物质转运和代谢的基因出现协同表达调节，揭示了宿主与共生菌在分子层面的功能耦合。

图3 热液与冷泉生境下柯氏潜铠虾外共生菌群的组成与代谢功能分化

在此基础上，研究提出“共生菌介导的代谢不匹配”（Symbiont-mediated metabolic mismatch）机制模型：当潜铠虾幼虫进入地球化学条件不同的新生境时，若难以建立或维持相适应的外共生关系，可能面临代谢不匹配及适合度代价，进而通过环境筛选限制有效基因交流，以促进种群间的早期分化。该模型将宿主遗传分化与共生菌代谢专化联系起来，为理解深海化能生境之间的生态分化与物种形成提供了新的研究思路。

从更广的演化视角看，这项工作将深海生物演化研究从传统的宿主层面拓展至宿主－共生微生物构成的“全生物体”（holobiont）层面，揭示了海底地球化学差异与不同生物层级演化响应之间的联系，为探究深海化能合成生态系统生物多样性的形成与维持机制提供了新视角。研究同时带来保护启示：面对深海矿产资源勘探与开发等人为扰动，深海保护除关注物种及其栖息地外，还应重视其独特遗传谱系、共生微生物体系及维系这些关系的地球化学环境，以维护深海生物多样性及其长期演化潜力。

论文第一作者为中国科学院海洋研究所程娇副研究员与惠敏研究员，海洋所王敏晓研究员为合作者，通讯作者为沙忠利研究员。本研究得到国家自然科学基金联合基金项目、共享航次项目及杰青项目、国家重点研发计划等项目联合资助。

论文信息：

Jiao Cheng#, Min Hui#, Mengjun Yu, Minxiao Wang, Zhongli Sha*, Early holobiont-level divergence and adaptation across seafloor geochemical contrasts in the deep-sea squat lobster Shinkaia crosnieri, Molecular Biology and Evolution, 2026, 43(11):msag262. https://doi.org/10.1093/molbev/msag262