高硫化物与低氧环境下 hydrothermal vent crab Xenograpsus testudinatus 有氧与无氧代谢的进化适应机制

《Scientific Reports》：Evolutionary adaptation of anaerobic and aerobic metabolism to high sulfide and hypoxic hydrothermal vent crab, Xenograpsus testudinatus

本研究针对浅海热液喷口极端环境（高硫化物、低氧）下螃蟹Xenograpsus testudinatus的代谢适应机制展开。研究人员通过比较基因组学、酶活性检测和免疫定位等技术，发现该物种通过硫化物:醌氧化还原酶（SQR）基因复制/亚功能化实现硫解毒，并能快速启动无氧代谢（血淋巴乳酸急剧升高）同时维持有氧代谢能力（细胞色素c/CYTC和复合物IV/COXIV活性稳定）。这种代谢灵活切换策略为极端环境生物适应机制提供了新见解。

　　

在台湾龟山岛周边海域的浅海热液喷口区，存在着一个充满挑战的极端环境：这里不仅氧气含量低（溶解氧4.15-9.5 mg/L），还富含高浓度的硫化氢（0-3500 μM）。然而，一种名为Xenograpsus testudinatus的螃蟹却在这里繁衍生息，成为科学家研究生物适应极端环境的理想模型。

热液喷口环境对大多数生物来说是致命的。硫化物会抑制线粒体细胞色素c氧化酶活性，阻断电子传递链，从而破坏有氧呼吸过程。同时，低氧条件又会迫使生物转向无氧代谢以获取能量。那么，X. testudinatus是如何在这种双重压力下生存的呢？

为了解开这个谜题，由国立台湾海洋大学张清峰教授领导的研究团队开展了一项系统研究，比较了热液喷口蟹（X. testudinatus，简称xtcrab）与潮间带非热液蟹（Thranita danae，简称tdcrab）在代谢适应策略上的差异。研究成果发表在《Scientific Reports》上，揭示了这种奇特螃蟹的生存秘诀。

研究人员采用了一套多学科交叉的研究方法，包括：野外实地采样（直接从热液喷口区和非喷口区采集螃蟹样本）、实验室控制实验（通过氮气诱导低氧和抗霉素A诱导细胞缺氧）、分子生物学技术（基因克隆、系统发育分析、实时定量PCR）、酶学活性检测（SQR、COXIV活性分析）、蛋白质水平分析（Western blot）以及免疫荧光定位等。

低氧耐受性

研究发现，xtcrab在严重低氧环境（DO=0.19 mg/L）中能存活16小时以上，而对照tdcrab仅能存活8小时。当使用抗霉素A（一种线粒体电子传递链抑制剂）诱导细胞缺氧时，xtcrab的96小时半致死浓度（LC₅₀）为265 ppb。在400 ppb抗霉素A处理下，xtcrab的耗氧率显著降低（从0.70±0.14降至0.28±0.08 mg O₂g^-1h^-1），证实了该化合物能有效干扰其有氧呼吸。

乳酸水平的调控

暴露于低氧环境1小时内，xtcrabs血淋巴乳酸水平即增加10倍，并在6小时达到146倍峰值，显示出无氧代谢的快速启动。相比之下，tdcrabs仅在12小时才出现7.8倍的增加。当将栖息地xtcrabs转移至正常海水时，乳酸水平在30分钟内显著下降，60分钟内急剧降低，表明xtcrabs具有快速开关无氧代谢的能力。将实验室饲养的xtcrabs重新放回热液喷口环境（station-1）2小时后，其乳酸水平显著升高，而放回正常海水环境（station-2）的个体则无此变化。

葡萄糖水平的调控

在所有实验条件下（低氧暴露或野外转移），xtcrabs血淋巴葡萄糖水平保持稳定，表明其能维持能量供应稳定。

xtCYTC的分子鉴定与调控

研究人员克隆了xtcrab细胞色素c（xtCYTC）基因，系统发育分析显示其与其他甲壳类CYTC聚类。实时定量PCR显示，与实验室饲养个体相比，栖息地xtcrabs后鳃中xtCYTC转录本增加2.6倍，蛋白质水平增加6.8倍。

SQR系统发育分析与调控

系统发育分析显示，xtcrabs的SQR旁系同源基因（xtSQR1和xtSQR2）之间的差异（86.36%同一性）大于tdcrabs的对应基因（92.48%同一性），表明前者经历了更明显的分化。栖息地xtcrabs鳃组织中xtSQR1转录本和SQR酶活性均显著高于实验室饲养个体。更重要的是，栖息地xtcrabs的SQR酶活性也显著高于对照tdcrabs。

xtCYTC和xtSQR的细胞共定位

免疫荧光染色显示，xtSQR和xtCYTC在鳃丝 pillar cells（柱细胞）和血细胞中均有表达，且存在共定位现象。所有观察到的100多个SQR阳性细胞均同时表达xtCYTC。

研究结论表明，X. testudinatus通过多种策略适应高硫化物低氧的热液喷口环境：首先，通过SQR基因的复制和亚功能化增强硫解毒能力；其次，通过快速启动无氧代谢（1小时内血乳酸显著升高）应对急性缺氧；第三，通过上调xtCYTC表达和维持COXIV酶活性，在有氧条件下保持电子传递链功能；最后，xtSQR与xtCYTC在细胞内的共定位可能有助于将硫解毒过程中产生的电子纳入线粒体电子传递链。

这项研究不仅揭示了一种海洋生物对极端环境的独特适应机制，也为理解生物在应对环境压力时的代谢可塑性提供了重要见解。特别是在全球气候变化导致海洋缺氧和酸化加剧的背景下，研究极端环境生物的适应策略具有重要的科学意义和应用价值。