揭秘潮间带 “小巨人” 长肋藤壶：转录组里藏着的适应海洋潮汐的神奇密码

为探究潮间带生物适应微生境变化的遗传机制，中国科学院海洋研究所研究人员对Chthamalus challengeri转录组研究。结果发现不同潮汐条件下其基因表达有差异。该研究为了解藤壶适应机制提供依据，值得科研读者一读。

　　

在神秘的海洋世界里，潮间带（就是大海潮起潮落之间的那片区域）就像是一个充满挑战的 “大舞台”。生活在潮间带的生物，每天都要经历各种环境变化的 “考验”。一会儿被海水淹没，一会儿又暴露在空气中，温度、盐度、氧气浓度时刻都在变，还有紫外线时不时来 “凑热闹”，这些因素就像一道道难题，考验着潮间带生物的生存能力。

就拿藤壶来说，它们紧紧附着在礁石上，不管海水怎么冲刷，都 “坚守阵地”。其中，长肋藤壶（Chthamalus challengeri）更是潮间带的 “常驻居民”，它们随着潮汐的节奏，一会儿泡在海水里，一会儿又被晾在空气中，可它们却顽强地生存了下来。科学家们很好奇，这些藤壶到底是怎么应对这些变化的呢？以前的研究发现，有些潮间带生物会通过改变行为或生理特征来适应环境，比如瓷蟹会加快心跳来抵抗热应激，潮间带蜗牛会调整身体朝向来保持凉爽。但对于藤壶这种固着生活（就是固定在一个地方，不能随便移动）的生物，关于它们在基因层面是如何适应潮间带环境变化的研究却少之又少。

为了揭开这个谜团，中国科学院海洋研究所的研究人员在《BMC Genomics》期刊上发表了一篇名为 “Transcriptomic analysis reveals genetic adaptation mechanisms of the barnacle Chthamalus challengeri to intertidal microhabitat variations” 的论文。通过研究，他们发现长肋藤壶在不同的潮汐条件下，基因表达会发生明显变化。在退潮暴露在空气中时，像 CYP450、HSP70 等基因的表达会显著增加；涨潮浸没在海水中时，CNGA3、AK 等基因的表达又会大幅上升。这表明长肋藤壶可以通过调节基因表达，利用自身的免疫系统和各种生理机制，来应对潮间带复杂多变的环境。这项研究不仅让我们更了解长肋藤壶的生存奥秘，还为研究其他甲壳类动物适应潮间带环境提供了重要线索。

为了完成这项研究，研究人员主要用到了以下几种关键技术方法：首先是转录组测序技术，他们采集了不同潮汐条件下长肋藤壶的样本，提取 RNA 并进行测序，从而获得基因表达的信息；接着利用生物信息学分析方法，对测序得到的数据进行处理，比如去除杂质数据、组装转录本、对基因进行注释等；最后通过差异表达基因分析，找出在不同潮汐条件下表达有差异的基因，并进行功能富集分析，探究这些基因在长肋藤壶适应环境过程中的作用。

下面我们来详细看看研究结果。

转录组组装和注释

研究人员对处于不同潮汐阶段的长肋藤壶进行 Illumina 配对末端测序，获得了转录组数据。经过一系列处理，去除了那些 “捣乱” 的序列（像含有接头的、有太多不确定碱基的、质量不高的序列），得到了 41.22Gb 的高质量 Clean Data。每个样本都能产出 6.11Gb 的干净数据，而且 Q30 碱基（代表测序质量非常高的碱基）的比例都在 93.73% 以上。经过组装，一共得到了 50,347 个单基因（unigenes），其中有 19,553 个长度超过 1kb。研究人员把这些单基因和公共数据库进行比对，发现有 28,132 个单基因（占比 55.88%）能在数据库里找到匹配的信息，这就像是给这些基因找到了 “身份档案”。在这些有匹配信息的基因里，很多和另一种藤壶 —— 纹藤壶（Amphibalanus amphitrite）的基因很相似，相似度高达 79.39%。

空气组和海水组之间的差异表达基因（DEGs）

研究人员对比了空气组和海水组的样本，发现了 3,883 个差异表达基因。其中，有 2,872 个基因在空气组的表达水平比海水组高，1,011 个基因则相反。他们把这些基因和 GO 数据库进行比对，给这些基因的功能做了分类，发现这些基因主要参与细胞过程、代谢过程、信号转导等功能。通过 KOG 注释，又把 1,291 个基因分成了 26 个类别，“一般功能预测”“信号转导机制”“翻译后修饰、蛋白质周转和分子伴侣” 这几类包含的基因比较多。

差异表达基因的功能分析

研究人员对差异表达基因进行 KEGG 注释后发现，随着温度升高和空气暴露时间增加，长肋藤壶的差异表达基因在 “神经活性配体 - 受体相互作用”“ECM - 受体相互作用”“MAPK 信号通路”“Notch 信号通路”“Wnt 信号通路” 等方面有相似的变化。这说明这些信号通路在长肋藤壶应对环境变化的过程中起着重要作用。

空气 2 组和海水 2 组的基因富集分析

研究人员进一步对空气 2 组和海水 2 组进行 KEGG 通路分析，发现差异表达基因在能量代谢和免疫相关的信号通路中显著富集，比如 “氨基酸和核苷酸糖代谢”“氧化磷酸化”“溶酶体”“吞噬溶酶体”“细胞色素 P450 介导的药物代谢”“细胞色素 P450 介导的异生物质代谢” 等。基因集富集分析（GSEA）也表明，和 P450 相关的基因在空气暴露组是上调的，参与 “细胞色素 P450 介导的异生物质代谢” 的谷胱甘肽转移酶在差异表达分析中也上调了。

空气 2 组和海水 2 组的基因富集分析

为了了解差异表达基因随时间的变化特点，研究人员用 Mfuzz 软件对 6 个时期的前 200 个差异表达基因进行聚类分析，把它们分成了 9 个簇。结果发现，细胞色素 b（CYTB）、环氧化酶 1（COX 1）、细胞色素 P450（CYP450）、热休克蛋白（HSP70）等基因在空气组中特异性表达，它们的表达水平在离开水后先升高，达到峰值后，重新进入水又会下降并趋于稳定。而水泥蛋白 52（CP52）、环核苷酸门控通道 3（CNGA3）、精氨酸激酶（AK）等基因在海水组特异性表达，它们的表达水平在离开水后较低，进入海水后升高并达到峰值，之后又下降稳定。

在讨论部分，研究人员对这些结果进行了深入分析。他们发现，在空气组中，差异表达基因涉及的信号通路反映了长肋藤壶在应对空气暴露压力时的多种生理反应。比如，ECM - 受体相互作用被激活，可能和伤口愈合以及抵御外源物质有关；Wnt 和 MAPK 信号通路被激活，能帮助长肋藤壶调节细胞极性、维持正常生理功能。而且，空气暴露会让长肋藤壶产生大量活性氧（ROS），激活细胞应激反应，这时 CYP450 作为解毒酶系统的关键部分，能帮助排出代谢废物。同时，HSP70 的表达随着温度升高而上升，它可以帮助蛋白质正确折叠、修复，还能调节糖原代谢，增强长肋藤壶对高温的抵抗能力。

当长肋藤壶进入海水时，CNGA3 基因高表达，这个基因可以整合温度和化学信号，调节体温。而且，进入海水后，长肋藤壶可能会因为气体交换受阻而经历缺氧应激，这时 AK 就发挥作用了，它能调节能量代谢，帮助长肋藤壶适应水下的缺氧环境。另外，CP52 蛋白在海水里表达量增加，它不仅能帮助藤壶生长、附着在礁石上，还能抵抗病原体入侵。

总的来说，这项研究通过对长肋藤壶转录组的分析，揭示了它适应潮间带环境变化的遗传机制。在空气暴露时，长肋藤壶会启动免疫反应和热休克反应；在进入海水时，又能快速激活能量代谢和体温调节机制。这些发现不仅展示了长肋藤壶强大的适应能力，还为我们研究其他甲壳类动物如何适应潮间带环境提供了宝贵的信息。就像给我们打开了一扇了解潮间带生物奥秘的窗户，让我们看到了这些小生物在复杂环境中生存的智慧，也为后续进一步探索生物与环境的相互作用奠定了坚实的基础。