缓步动物基因组揭示了极限生存的秘密

缓步动物可能是大自然的最终幸存者。虽然这些微小的、几乎半透明的动物很容易被忽视，但它们代表了一个多样化的群体，成功地在包括南极洲在内的每个大陆的淡水、海洋和陆地环境中定居。

这些不寻常的生物通常被称为“水熊虫”，由于它们在极端条件下生存的能力无与伦比，它们可能是地球上最具弹性的生物之一，各种物种都具有抗旱、高剂量辐射、低氧环境以及高温和低温和压力的能力。

虽然许多基因被认为有助于这种极端耐受性，但对这些独特适应的起源和历史的全面了解仍然难以捉摸。在发表在《基因组生物学与进化》上的一项新研究中，庆应义塾大学高级生物科学研究所、奥斯陆大学自然历史博物馆和布里斯托尔大学的科学家揭示了与缓步动物极端耐受性相关的令人惊讶的复杂基因复制和丢失网络，突出了驱动现代缓步动物生态学的复杂遗传景观。

了解缓步动物基因家族

作为极端耐受性的一种形式，缓步动物可以通过进入称为无水生物（即没有水的生命）的休眠状态来生存几乎完全干燥，这使它们能够可逆地停止新陈代谢。先前发现多个缓步动物特异性基因家族与无水生物有关。

根据蛋白质表达的细胞位置，这些基因家族中的三个被称为 cytosolic、mitochondrial 和 secretory abundant h吃可溶性蛋白（分别为 CAHS、MAHS 和 SAHS）。一些缓步动物似乎具有一种变异途径，该途径涉及两个丰富的热溶性蛋白质家族，这些蛋白质首先在缓步动物棘皮动物睾丸中鉴定出来，通常被称为 EtAHS α 和 β。

缓步动物还具有应激抗性基因，这些基因可以在动物中更广泛地发现，例如减数分裂重组 11 （MRE11） 基因，该基因与其他动物的干燥耐受性有关。不幸的是，自从这些基因家族被鉴定出来以来，大多数缓步动物谱系的信息有限，因此很难就它们的起源、历史和生态影响得出结论。

研究缓步动物的进化

为了更好地阐明缓步动物极端耐受性的进化，这项新研究的作者 – James Fleming，Davide Pisani和Kazuharu Arakawa – 在13个缓步动物属中鉴定了来自这六个基因家族的序列，包括来自两个主要缓步动物谱系的代表，真步动物和异缓步动物。他们的分析揭示了 74 个 CAHS、8 个 MAHS、29 个 SAHS、22 个 EtAHS α、18 个 EtAHS β 和 21 个 MRE11 序列，使他们能够为这些基因家族构建第一个缓步动物系统发育。

由于对干燥的抵抗力很可能是对陆地环境的适应，作者认为他们会发现这些基因家族的基因复制和丢失与缓步动物的栖息地变化之间存在联系。“当我们开始这项工作时，我们期望发现每个分支都会清楚地围绕古代重复进行分组，几乎没有独立的损失。这将有助于我们轻松地将它们与对现代栖息地和生态学的理解联系起来，“该研究的主要作者詹姆斯弗莱明说。“这是一个直觉的假设，”他继续说道，“从理论上讲，这些与干燥相关的基因重复的进化应该包含这些生物的生态历史的残余，尽管实际上，这被证明过于简单化了。

相反，作者对热溶性基因的独立重复数量感到惊讶，这描绘了一幅更复杂的无水生物相关基因进化图景。然而，值得注意的是，强无水生物物种与物种拥有的无水生物相关基因的数量之间没有明确的联系。“我们的发现更令人兴奋，”弗莱明说，“一个复杂的独立收益和损失网络，不一定与现代陆地物种生态相关。

缓步动物谱系的独立适应

尽管基因复制与缓步动物生态学之间缺乏关系，但该研究确实为导致获得无水生物的主要转变提供了重要的见解。在缓步动物的两大类群中，基因家族的不同分布——欧缓步动物的CAHS、MAHS和SAHS，以及异缓步动物的EtAHS α和β——表明，从海洋环境到湖沼陆地环境的两次独立转变发生在缓步动物中，一次发生在欧缓步动物祖先中，一次发生在异缓步动物中。

这项研究标志着我们在理解缓步动物无水共生进化方面迈出了重要一步。它还为未来对缓步动物极端耐受性的研究奠定了基础，这将需要继续开发来自更多样化的缓步动物谱系的基因组资源。

“不幸的是，我们没有来自几个重要家族的代表，例如Isohypsibiidae，这确实限制了我们坚持结论的坚定程度，”弗莱明指出。“有了更多的淡水和海洋缓步动物样本，我们将能够更好地欣赏该群体陆地成员的适应性。不幸的是，一些缓步动物可能特别难以捉摸，这是此类研究的主要障碍。例如，弗莱明最喜欢的缓步动物之一Tanarctus bubulubus太小了，无法用肉眼看到，仅在北大西洋约150米深处的沉积物中发现。 “希望，”弗莱明说，“通过地球生物基因组计划的大规模测序计划将稳步弥合我们理解中的这一差距，我很高兴看到这一努力继续下去。