深海化能生态系统中优势种柯氏潜铠虾的微进化研究

Although both deep-sea hydrothermal vents and cold seeps are chemosynthetic ecosystems, there are differences between the two, including flow rate of the emitted fluid and the chemical composition of that fluid, e.g. heavy metals. The symbiosis between large organisms and microbes is important for the surviving in the chemosynthetic ecosystems. Significant differentiation has been detected in the population genetic study of Shinkaia crosnieri from a hydrothermal vent in Okinawa Trough and a cold seep in the South China Sea. Focusing on the populations of S. crosnieri from different hydrothermal vent (HV) and cold seep (CS) ecosystems in the west Pacific Ocean, we will perform the following works. Population genomics will be conducted to analyze the population structure, identify and annotate the high divergent SNP ‘outliers’ using 2b-RAD. The S. crosnieri will also be exposed to high concentration of heavy metal copper, and key genes related to the stress adaptation will be further screened by comparative transcriptome study. The weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) will be performed to construct the gene regulation network as well. Further, the abundance of symbiotic microbes of S. crosnieri from different HV and CS populations will be compared by full length 16S sequencing. The correlation between the microbe abundance and S. crosnieri SNPs will be analyzed by genome-wide association study (GWAS). The results will clarify the molecular mechanisms of microevolution of S. crosnieri systematically at gene selection and gene expression regulation levels, as well as the influence of microbes. It is expected to provide deep insights into the adaptive evolution of crustaceans in deep-sea chemosynthetic ecosystems.

深海热液、冷泉均为化能极端环境，但二者成因、流出液速度和组分（如重金属）有所差别，其中大型生物与微生物的共生关系是化能生态系统生物适应环境的关键因素。已有研究发现冲绳海槽热液和南海冷泉区柯氏潜铠虾种群产生了显著分化。本项目将系统全面的阐释潜铠虾适应不同热液、冷泉环境微进化的分子机制：应用2b-RAD对西太平洋不同热液、冷泉区的潜铠虾进行种群基因组学研究，明晰种群结构，筛选高分化位点，从基因受选择层面阐释潜铠虾微进化的遗传学基础；开展重金属铜胁迫实验结合比较转录组、基因共表达网络分析WGCNA，从基因表达调控层面阐述其适应不同环境微进化的分子基础；对不同潜铠虾种群个体共生微生物进行16S全长扩增子测序，并将共生菌丰度与宿主SNP进行全基因组关联分析GWAS，探讨微生物群落组成对潜铠虾微进化的影响。本研究预期将极大加深我们对深海化能生态系统大型动物进化和适应机制等重大科学问题的理解。

深海热液、冷泉均为化能极端生态系统，但温度变化范围、流出液组分等有差异，动物与微生物的共生关系是生物适应该极端环境的关键。柯氏潜铠虾是少数在热液冷泉均有分布的优势甲壳动物之一。项目聚焦深海甲壳动物的适应性进化，主要取得了以下五方面科学发现。. （1）种群基因组学研究发现潜铠虾冲绳热液与冷泉群体存在全基因组水平遗传差异，地理隔离、有限扩散能力及自然选择是产生分化的主要原因，免疫、转座子及代谢相关基因参与了其本地适应。（2）比较转录组显示潜铠虾在适应热液、冷泉环境时不仅产生基因表达差异，且免疫应答、抗氧化与解毒等基因受到选择作用。（3）重金属铜胁迫后转录组结果显示潜铠虾鳃和肝胰腺产生了不同差异表达基因，鳃显示更强烈变化；共有差异表达基因表明二者均产生了神经系统及能量转换方面的信号转导，调整了内稳态相关离子通道，加强了蛋白质加工，且免疫及DNA修复相关基因发挥重要作用。（4）共生微生物宏基因组分析表明，弯曲杆菌、硫发菌和亚硝化球菌在热液潜铠虾附肢刚毛中含量高于冷泉，而黄杆菌和甲基球菌在冷泉样本中更高，与硫酸盐氧化还原、硫化物氧化、硫代硫酸盐氧化还原以及还原性三羧酸循环相关基因热液样本显著高于冷泉，而与甲烷氧化相关基因则在冷泉中偏高；代谢通路分析发现共生微生物能合成宿主不具备的多种必需氨基酸、脂类、辅酶和维生素，在宿主环境适应中起重要作用。（5）增加了部分对另一化能甲壳类阿尔文虾的初步研究，与潜铠虾比较。发现冲绳热液和南海冷泉长角阿尔文虾种群基因交流良好；栖息地环境理化因素和宿主与细菌的相互识别在决定阿尔文虾鳃共附生菌群组成中发挥作用；比较转录组分析揭示了阿尔文虾科物种适应不同生态位分化的分子基础。. 项目各考核指标按计划完成，并拓展了研究。发表项目标注SCI论文7篇，参加学术会议4次，辛倩做口头报告获优秀奖，1人博士后出站并晋升副研究员，合作培养研究生3名。研究结果为阐明动物适应深海化能生境进化的机制提供了重要依据。