铜锈环棱螺高质量基因组揭示其卓越环境适应性的分子机制

《BMC Biology》：The high-quality genome of Bellamya aeruginosa reveals the molecular mechanisms underlying its remarkable stress resistance

本研究针对淡水腹足类铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)的环境适应机制这一科学问题，通过整合PacBio HiFi测序、Hi-C技术和转录组分析，构建了染色体级别的高质量基因组(1.2 Gb)。研究发现该物种通过Hsp20/Hsp40基因家族扩张、脂代谢调控和抗氧化系统激活等分子途径，成功适应废水缺氧和温度胁迫环境，为水生生物适应性进化研究提供了重要模型体系。

　　

在长江三角洲的淡水生态系统中，一种看似普通的螺类——铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)正悄然展现着令人惊叹的生存智慧。随着中国近25年来工业化进程的加速，淡水生态系统遭受了严重破坏，许多水生生物数量锐减，但铜锈环lorica却能在污染水域中繁衍生息，甚至成为环境监测的哨兵物种。这种隶属于田螺科(Viviparidae)的生物究竟隐藏着怎样的分子秘密，使其能够抵御废水污染、温度剧变等恶劣环境？这个谜题吸引了盐城师范学院张代振教授团队的目光。

为了揭示铜锈环棱螺的环境适应机制，研究团队在《BMC Biology》上发表了最新研究成果。他们采用多组学整合分析策略，首先通过PacBio高通量测序技术获得了覆盖度达20×的高保真(HiFi) reads，结合高通量染色体构象捕获(Hi-C)技术，成功构建了包含8条染色体的伪染色体级别基因组。该基因组大小为1.2 Gb，contig N50达到4.7 Mb， scaffold N50高达170 Mb，LTR组装指数(LAI)超过20，达到了黄金标准。

基因组特征分析显示，铜锈环棱螺基因组杂合度为1.8%，重复序列占比24.5%。通过BUSCO评估表明，该基因组包含了97.8%的软体动物核心基因，证实了组装的高质量。基因注释共预测到34,593个基因模型，其中92%的基因有转录组数据支持。

比较基因组学分析揭示了田螺科的进化轨迹。系统发育分析表明，铜锈环棱螺与纯环棱螺(B. purificata)、中华圆田螺(Cipangopaludina cathayensis)共同构成田螺科分支，与瓶螺科(Ampullariidae)的分化时间约在1.58亿年前。PSMC分析显示，铜锈环棱螺的有效种群大小(Ne)在历史气候变化中表现出强大的适应能力，特别是在中更新世气候转型期和晚更新世冰期-间冰期交替阶段。

基因家族扩张分析发现，田螺科分支有115个基因家族发生扩张，包含1,110个基因，这些基因显著富集于形态发生发育生长、器官形态发生调控和胚胎发育调控等GO功能类别，这可能与田螺科的胎生繁殖模式有关。同时，在铜锈环棱螺中鉴定到478个正选择基因(PSGs)，这些基因与免疫系统过程密切相关，包括肽聚糖应答、上皮形态发生调控等功能。

转录组分析揭示了铜锈环棱螺应对环境胁迫的分子机制。废水暴露实验发现，与正常水体相比，废水组共有2,143个差异表达基因(DEGs)，其中1,271个基因上调，872个下调。这些基因显著富集于过氧化物酶活性、谷胱甘肽过氧化物酶活性等抗氧化相关通路，以及脂肪酸生物合成、脂滴形成等脂代谢过程。

KEGG富集分析进一步证实了脂肪酸代谢和脂肪酸生物合成途径的激活，同时凋亡和炎症相关通路如MAPK信号通路、NOD样受体信号通路等也显著富集。基因集富集分析(GSEA)显示，废水组前10个显著激活的途径主要与脂代谢相关，而免疫细胞分化和活化相关通路则被抑制，这可能是缺氧导致能量代谢受损后的次级效应。

温度胁迫实验表明，热胁迫(30°C)比冷胁迫(4°C)引发更多的基因表达变化。在热胁迫12小时和24小时后，分别鉴定到大量DEGs，这些基因主要富集于内质网蛋白质加工、NF-κB信号通路、Toll和Imd信号通路等。而冷胁迫相关DEGs则富集于类固醇激素生物合成、亚油酸代谢等通路。

加权基因共表达网络分析(WGCNA)识别出与温度胁迫显著相关的基因模块，其中MEturquoise模块的基因显著富集于蛋白质靶向过氧化物酶体、氧化应激和脂肪酸氧化等过程，表明过氧化物酶体相关代谢过程在环境胁迫应答中起关键作用。

热休克蛋白(Hsps)被证明是铜锈环棱螺应对环境胁迫的核心分子。研究人员对四种腹足类(铜锈环棱螺、中华圆田螺、光滑双脐螺和福寿螺)的Hsp基因家族进行了全基因组鉴定，共发现324个Hsp基因。其中铜锈环棱螺有93个Hsp基因，包括Hsp90家族3个、Hsp70家族14个、Hsp60家族13个、Hsp40家族40个、Hsp20家族21个和Hsp10家族2个。

特别值得注意的是，铜锈环棱螺的Hsp20和Hsp40家族成员数量显著多于其他近缘物种。染色体定位分析发现，Hsp20亚家族成员在5号和8号染色体上成簇分布，表明串联重复事件导致了该基因家族的扩张。

蛋白质-蛋白质相互作用网络分析识别出Hsp家族中的核心基因，包括HSP90B1、HSP90A和Hsc70-4等，这些基因在热胁迫实验中显著上调。进一步分析显示，"内质网蛋白质加工"通路在热胁迫条件下最为显著，该通路描述了热休克蛋白在识别和降解错误折叠蛋白质以及介导凋亡过程中的相互作用。

讨论部分指出，这项研究不仅提供了高质量的铜锈环棱螺基因组资源，更重要的是揭示了其环境适应性的分子基础。胎生繁殖相关的基因家族扩张、免疫相关基因的正选择以及Hsp基因家族的扩增，共同构成了铜锈环棱螺应对环境胁迫的分子网络。特别是Hsp20和Hsp40家族成员的扩张，使其能够更有效地利用热休克蛋白识别和降解错误折叠蛋白质，这是其耐受极端环境的关键机制。

研究方法上，团队采用了多技术整合策略：通过PacBio HiFi测序和Hi-C技术完成基因组组装，使用OrthoFinder进行比较基因组学分析，采用PSMC评估历史种群动态，通过RNA-seq分析环境胁迫下的转录组变化，运用WGCNA构建基因共表达网络，并利用系统发育分析揭示Hsp基因家族进化规律。实验样本来自江苏盐城的野生群体，确保了研究的生态相关性。

这项研究为理解淡水腹足类对环境胁迫的适应机制提供了新的视角，铜锈环棱螺作为环境监测的哨兵物种，其基因组资源的开发将有助于我们更好地评估和预测淡水生态系统的健康状态。随着全球气候变化加剧，这类具有强大环境适应性的生物的研究价值将日益凸显。