鄭平，王敏曉，李超倫，孫松*

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

熱液和冷泉10種無脊椎動(dòng)物基因組大小測定及比較

鄭平1，2，王敏曉1，李超倫1，孫松1*

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要：基因組大小(或稱C值)作為生物單倍體細(xì)胞中全套染色體的DNA總量，在一定程度上是恒定的，因而C值可以作為生物物種的一個(gè)特定參數(shù)。深海熱液和冷泉為更好地理解C值與不同環(huán)境之間的關(guān)系提供了一個(gè)特征性的模型。本文采用流式細(xì)胞術(shù)，測定了來自熱液和冷泉環(huán)境中的10種深海無脊椎動(dòng)物的C值，其分布范圍從0.87 pg到12.28 pg，其中，相比于軟體動(dòng)物和多毛類，甲殼生物基因組大小及變異均較大。對(duì)比熱液和冷泉兩個(gè)群落中共有種(深海偏頂蛤Bathymodiolus platifrons、柯氏潛鎧蝦Shinkaia crosnieri以及長角阿爾文蝦Alvinocaris longirostris)的基因組大小，發(fā)現(xiàn)C值差異并不顯著。同時(shí)，綜合已有的數(shù)據(jù)，對(duì)深海化能極端環(huán)境與其他環(huán)境條件下的物種C值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示深?；軜O端環(huán)境下生物的基因組大小并沒有發(fā)現(xiàn)明確的變化趨勢。

關(guān)鍵詞：熱液；冷泉；化能合成生態(tài)系統(tǒng)；基因組大??；C值；流式細(xì)胞術(shù)

1引言

基因組大小(或稱C值)，指的是生物單倍體細(xì)胞中全套染色體的DNA總量。在真核生物中，一般認(rèn)為，每種生物的DNA含量在一定程度上是恒定的，因而，C值可以作為生物物種的一個(gè)特定參數(shù)。研究表明，基因組大小及其差異與很多生物特征相關(guān)，如光合作用率[1]、發(fā)育速度[2]、細(xì)胞大小[3]、代謝率[1，4]、瀕危速率[5]等。此外，基因組大小還與不同環(huán)境的適應(yīng)性相關(guān)[6—10]。盡管對(duì)于基因組大小的研究越來越多，但相對(duì)其多樣性水平，海洋無脊椎動(dòng)物基因組大小研究卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，現(xiàn)有的基因組大小評(píng)估數(shù)據(jù)是極度缺乏的[11]，導(dǎo)致對(duì)于海洋無脊椎生物的基因組大小變化的模式只能在較寬泛的水平上進(jìn)行比較。然而，低等分類階元內(nèi)物種之間的比較，更有利于理解基因組大小蘊(yùn)含的重要生物學(xué)意義，因而后續(xù)研究需要補(bǔ)充海洋無脊椎動(dòng)物更多物種基因組大小的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，不同特征生活條件(如深海和淺海，穩(wěn)定環(huán)境和變化環(huán)境)之間物種類群基因組大小的比較，也有助于揭示無脊椎動(dòng)物基因組大小變化的進(jìn)化過程及其生物學(xué)意義，進(jìn)而推進(jìn)對(duì)特殊環(huán)境下海洋無脊椎生物適應(yīng)性的理解。

深海熱液口和冷泉是比較典型的極端環(huán)境，為研究極端環(huán)境中基因組的大小提供了一個(gè)重要模型。深海熱液口和冷泉屬于化能生態(tài)系統(tǒng)，不同于一般的依賴光合作用獲取能量的生態(tài)系統(tǒng)，其環(huán)境嚴(yán)酷，高壓、富含甲烷和重金屬等有毒有害物質(zhì)[12—14]。盡管熱液口和冷泉都是化能生態(tài)系統(tǒng)，但因其成因和分布等不同，環(huán)境特征也有較大差別。熱液口持續(xù)時(shí)間短，環(huán)境梯度變化非常顯著，熱液流與周圍海水隨機(jī)混合[15]，且相隔幾厘米溫度可從400℃變到2℃[16]，pH可達(dá)3～6，重金屬種類多且濃度高，富含硫化物是其典型特征。相比之下，冷泉滲出液較為穩(wěn)定緩慢，存在時(shí)間較長，其環(huán)境梯度變化更溫和[17]，因而熱液和冷泉為研究化能生態(tài)系統(tǒng)中基因組大小的關(guān)系提供了可以相互比較的兩種環(huán)境條件。但對(duì)于生命而言，熱液和冷泉環(huán)境無疑都是不穩(wěn)定和嚴(yán)酷的，因而研究熱液和冷泉無脊椎動(dòng)物的基因組大小，對(duì)于理解深海極端環(huán)境尤其是化能合成生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物的適應(yīng)性機(jī)制具有重要意義。

本文通過流式細(xì)胞術(shù)，測定了來自熱液和冷泉環(huán)境中10種常見深海無脊椎動(dòng)物的C值，并對(duì)兩種群落中共有種的基因組大小進(jìn)行比較，同時(shí)綜合已有的數(shù)據(jù)，對(duì)深海環(huán)境與其他環(huán)境條件下的物種C值進(jìn)行對(duì)比分析，以闡明不同環(huán)境條件下基因組大小變化的關(guān)系，分析深?；苌鷳B(tài)系統(tǒng)生物的適應(yīng)性機(jī)制。此外，本研究結(jié)果也補(bǔ)充了深海無脊椎動(dòng)物基因組大小的記錄，為后期開發(fā)利用深海生物基因資源和開展相關(guān)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2材料和方法

2.1樣品采集和保存

熱液和冷泉樣品在2014年4月“科學(xué)”號(hào)熱液和冷泉調(diào)查航次中獲得，由“發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV采集。熱液和冷泉采樣點(diǎn)如圖1所示，其中熱液采樣點(diǎn)位于沖繩海槽(27°33′4.157″N，126°58′7.849″E)，水深1 361 m；冷泉采樣點(diǎn)位于臺(tái)灣西南的南海冷泉區(qū)(22°06′57.144″N，119°17′6.580″E)，水深1 113 m。樣品取回甲板后，液氮速凍后轉(zhuǎn)移到-80℃超低溫冰箱中保存。

圖1　樣品采集點(diǎn)示意圖，圖中“HV”代表熱液采樣點(diǎn)，“CS”代表冷泉采樣點(diǎn)Fig.1　Sampling locations， “HV” represents “hydrothermal vent”， “CS” represents “cold seep”

本研究中共采集到10種深海無脊椎動(dòng)物，其中3種(深海偏頂蛤Bathymodiolusplatifrons、柯氏潛鎧蝦Shinkaiacrosnieri以及長角阿爾文蝦Alvinocarislongirostris)為熱液和冷泉環(huán)境共有，其余樣品來源及測定樣品數(shù)見表1。

2.2細(xì)胞懸液制備

根據(jù)樣品類別選擇相應(yīng)的組織制備細(xì)胞懸液(表1)，細(xì)胞懸液制備過程如下：取30～50 mg組織塊放入PBS中化凍，并迅速用眼科小剪刀剪成糜狀，使用40 μm細(xì)胞篩過濾后，濾液 300 g離心6 min后棄上清，然后向細(xì)胞片中加入1 mL 70%的酒精溶液冰上固定30 min。最后，將離心收集到的細(xì)胞片用PBS洗滌兩次之后，加入1 mL PBS重懸得到細(xì)胞懸液。將雞血細(xì)胞和組織細(xì)胞懸液中加入RNase 試劑(終濃度為125 μg/mL)后用PI冰上染色30 min(終濃度為50 μg/mL)，在組織細(xì)胞懸液中加入雞血紅細(xì)胞，混合均勻，使2種細(xì)胞數(shù)目大致相等[18]。

表1　10種深?；軜O端環(huán)境中無脊椎動(dòng)物的基因組大小測定結(jié)果

注：表中“組織”為細(xì)胞懸液制備時(shí)采用的組織來源，笠貝科和管螺科采用所有軟體部分，希凱茗荷采用去掉外殼之后的所有肉體部分，鎧甲蝦和長角阿爾文蝦采用尾部肌肉，石蟹和查世蟹采用螯足內(nèi)肌肉。環(huán)境類型“HV”表示沖繩熱液樣品，“CS”表示南海冷泉樣品。由于深海樣品難以獲取，部分樣品只有1個(gè)個(gè)體，無法計(jì)算誤差，用“NA”表示。

2.3 基因組大小的測定

基因組大小的測定在BD公司C6流式細(xì)胞儀上檢測，激發(fā)光為488 nm，檢測的發(fā)射波長為(625±10)nm，對(duì)應(yīng)熒光通道為FL2。本文采用成熟大公雞血樣品作為內(nèi)參，來測定樣品的C值(對(duì)于與雞血熒光主峰重疊的樣品，采用其他樣品混樣上機(jī)進(jìn)行輔助計(jì)算)。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，F(xiàn)sp和Fcd分別表示樣品和雞血的熒光檢測峰值，Csp和Ccb分別表示樣品和雞血的C值，其中雞血C值已知為1.25 pg，1 pg=0.978×109bp。

2.4統(tǒng)計(jì)分析

檢驗(yàn)熱液和冷泉兩種環(huán)境中同一物種的基因組大小差異時(shí)，每組樣品量不少于3個(gè)，由于樣本大小不同，采用獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)。僅來自一個(gè)群落的生物種，給出平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。所有制圖和統(tǒng)計(jì)使用R(3.01)分析完成。

3結(jié)果

3.1基因組大小

深海偏頂蛤B.platifrons、柯氏潛鎧蝦S.crosnieri、長角阿爾文蝦A.longirostris以及管蟲Lamellibrachiasp.的熒光分布如圖2所示，管蟲由于熒光峰值與雞血重疊太多，換用貽貝樣品作為內(nèi)參。本研究所測定的樣品C值見表1，其中，甲殼類生物具有較大C值，其分布范圍也比較廣泛，從1.41 pg到12.28 pg。其中最小值為鎧茗荷目的A.seepiophila，其C值為1.41 pg，其次是十足目的Chaceonsp.為4.91 pg，其余十足目生物C值均較大，其中最大的C值出現(xiàn)在A.longirostris熱液種群中，為12.28 pg。相比而言，軟體動(dòng)物類C值較小，為0.87 pg到2.77 pg。其中笠貝科的B.secundaC值較小，為0.87 pg；管螺科的P.buccinoidesC值較大，為2.49 pg。此外，獲取的環(huán)節(jié)動(dòng)物門中Lamellibrachiasp.的C值也相對(duì)較小，為1.50 pg。

圖2　4種樣品的流式細(xì)胞儀測定結(jié)果顯示Fig.2　Flow cytometric fluorescent-distributions of 4 invertebrates

對(duì)于種群內(nèi)部基因組大小的變異而言，A.longirostris(冷泉群落)基因組大小SD值最大，為1.59，其次是熱液和冷泉的S.crosnieri種群，SD值分別為1.10和0.87，而深海偏頂蛤B.platifrons的SD值相比均較小(熱液為0.14，冷泉為0.19)。

3.2熱液和冷泉同種生物C值比較

本文對(duì)熱液和冷泉不同群落中采集到的同一物種比較結(jié)果如圖3所示，深海偏頂蛤B.platifrons熱液和冷泉群落C值分別為(2.41±0.14)pg和(2.48±0.19)pg，A.longirostris熱液和冷泉群落C值分別為(11.63±0.59)pg和(10.75±1.59)pg，S.crosnieri熱液和冷泉群落C值分別為(7.60±1.10)pg和(7.92±0.87)pg，兩個(gè)群落中基因組大小的T檢驗(yàn)結(jié)果均為差異不顯著。

圖3　熱液和冷泉共有物種C值比較Fig.3　Comparisons of C-value for the common species from hydrothermal vent and cold seep

4討論

4.1C值測定的影響因素

檢測C值首先需要考慮的問題就是避免由于體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制導(dǎo)致的多倍化影響，體細(xì)胞的內(nèi)復(fù)制廣泛存在與甲殼類動(dòng)物中[19]。為了避免體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制的影響，本研究中同類生物樣品優(yōu)先選擇了同源組織來檢測C值。

化能合成生態(tài)系統(tǒng)中，無脊椎動(dòng)物與化能共生菌的共生關(guān)系普遍存在，外共生可通過PBS沖洗減少影響，而內(nèi)共生的影響難以避免且很少有評(píng)估。為了評(píng)估內(nèi)共生菌對(duì)于深海偏頂蛤C值檢測造成的潛在影響，同步分析了其內(nèi)共生菌所在鰓組織的電鏡樣品，同一細(xì)胞內(nèi)共生菌的數(shù)量通常小于5個(gè)，而一般細(xì)菌的基因組大小小于5 Mb[20—21]，因而相對(duì)于宿主而言，微生物DNA總量所占的比例不足1%，故影響可以忽略。同時(shí)，本研究測定的數(shù)值與基因K-mer的評(píng)估結(jié)果一致，證實(shí)了方法的可靠性(未發(fā)表數(shù)據(jù))。

C值測定面臨的另一個(gè)問題就是多倍體化。多倍體化是物種形成的一種重要方式，根據(jù)已有的研究數(shù)據(jù)表明，多倍體化在甲殼類中普遍存在，尤其是十足目中[19]。同時(shí)，在雙殼類以及多毛類某些類群中也存在多倍體化的現(xiàn)象[22—23]。實(shí)際上，不能僅僅依據(jù)基因組大小來斷定多倍體化物種形成是否存在，還需要補(bǔ)充細(xì)胞遺傳學(xué)以及遺傳學(xué)相關(guān)證明。本文檢測到的C值，與已有數(shù)據(jù)相比，檢測的深海偏頂蛤貽貝B.platifrons比已知Bathymodiolus屬貽貝C值略大，兩種鎧甲蝦均在已有的鎧甲蝦科C值范圍之內(nèi)，長角阿爾文蝦A.longirostris的C值也并未超過已知阿爾文蝦科C值分布范圍。通過與K-mer預(yù)估數(shù)據(jù)的比較，可以確定深海偏頂蛤B.platifrons沒有發(fā)生多倍化，而其他生物由于缺少細(xì)胞遺傳學(xué)數(shù)據(jù)，本文都以二倍體形式來推算其基因組大小。

4.2基因組大小的差異

4.2.1個(gè)體間基因組大小的差異

根據(jù)流式細(xì)胞儀檢測結(jié)果，柯氏潛鎧蝦S.crosnieri和長角阿爾文蝦A.longirostris均存在個(gè)體間差異，而深海偏頂蛤B.platifrons和管蟲Lamellibrachiasp.個(gè)體間差異較小。本研究所有樣品均制備平行樣，同一個(gè)體進(jìn)行了多次檢測，因此可以排除系統(tǒng)誤差造成的影響。一方面，個(gè)體大小可能是造成基因組大小在個(gè)體間存在差異的原因之一[24]，在本研究中，檢測的長角阿爾文蝦A.longirostris和柯氏潛鎧蝦S.crosnieri樣品體長均較為一致，而深海偏頂蛤樣品B.platifrons個(gè)體大小變化較大(3～7 cm)，但是，深海偏頂蛤B.platifrons種群的基因組大小變異卻小于長角阿爾文蝦A.longirostris和柯氏潛鎧蝦S.crosnieri，即表明C值個(gè)體間差異與生物個(gè)體大小之間并不存在明確的相關(guān)關(guān)系。

此外，同一物種內(nèi)基因組大小差異較大，可能是存在不同的亞種[11]，為了排除物種鑒定錯(cuò)誤及亞種分化造成的影響，我們同步測定了所檢測樣本的DNA條形碼，COI序列的比較結(jié)果顯示，本研究中個(gè)體種內(nèi)差異均小于1%，未顯示物種分化(未發(fā)表數(shù)據(jù))。根據(jù)熱液和冷泉不同種群C值的分布圖(圖4)所示，C值分布也不存在明顯的兩個(gè)峰，結(jié)果與COI驗(yàn)證結(jié)果一致，所測生物個(gè)體均屬于同一個(gè)種，但受限于樣本量大小，研究對(duì)應(yīng)物種基因組大小的變異范圍還有待于對(duì)更多個(gè)體基因組大小的測定。

圖4　熱液和冷泉共有生物種C值個(gè)體分布圖Fig.4　Distribution of individual C-value for the common species from hydrothermal vent and cold seep

4.2.2種群間基因組大小的差異

關(guān)于種群間基因組大小差異的解釋，通常與地理分布相關(guān)，這些差異可能會(huì)來自于生存環(huán)境中受到不同刺激，如靜水壓力[25]、熱環(huán)境[26]等，而這些刺激因子在深海極端環(huán)境中普遍存在。本研究中熱液和冷泉共有種的基因組大小比較，為研究不同生境的影響提供了理想的模型。

關(guān)于同一個(gè)物種在不同環(huán)境中C值之間的差異比較，針對(duì)植物的研究較多[27—29]，也有一些動(dòng)物相關(guān)的研究如竹節(jié)蟲Bacillusatticus[30]、偽哲水蚤Pseudocalanussp.[31]和果蠅Drosophilamelanogaster[26]。根據(jù)已有模型，環(huán)境刺激對(duì)基因組大小的影響主要有兩種，一方面，不同環(huán)境刺激可能影響到繁殖，可以導(dǎo)致不育或者單性繁殖從而使染色體減少，這種情況是不同品系間基因組大小減小的主要原因[11]。另一方面，不同刺激下，衛(wèi)星DNA的變化也會(huì)引起基因組大小的差異[32]，例如一些甲殼類的漸變?nèi)褐谢蚪M大小的變化主要是與含有豐富的轉(zhuǎn)座子相關(guān)[33]。

然而，不同于已有研究[34]，本文中根據(jù)熱液和冷泉共有種基因組大小差異的檢驗(yàn)結(jié)果，地理分布上相距甚遠(yuǎn)的兩個(gè)群落中深海偏頂蛤B.platifrons、柯氏潛鎧蝦S.crosnieri以及長角阿爾文蝦A.longirostris種群間基因組大小都沒有顯著性差異(p>0.05)。一般看來，熱液和冷泉生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境差異較大，但是由于采樣地點(diǎn)的環(huán)境背景數(shù)據(jù)缺乏，難以更深入的分析兩種群落生物基因組大小差異不顯著的原因及其與環(huán)境因素的關(guān)系。

此外，雖然兩個(gè)群落生物C值差異并不顯著，但根據(jù)測定結(jié)果，明顯可見深海偏頂蛤B.platifrons和柯氏潛鎧蝦S.crosnieri冷泉環(huán)境中C值大于熱液環(huán)境中的C值，而長角阿爾文蝦A.longirostris正好相反。根據(jù)已有研究顯示，環(huán)境刺激對(duì)基因組大小可產(chǎn)生兩種不同的影響，可能在深海極端環(huán)境下這兩種影響都存在，但不同生物類群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制可能有所差別，導(dǎo)致基因組大小變化模式并不一致，還需要進(jìn)一步開展基因組相關(guān)研究進(jìn)行驗(yàn)證。

4.3深?；軜O端環(huán)境對(duì)基因組大小的影響

已有研究關(guān)于端足目和囊蝦總目中最大的基因組大小都出現(xiàn)在極地[35—36]，表明在極端環(huán)境下基因組大小分布模式可能與其他環(huán)境中有所不同。極端環(huán)境對(duì)基因組大小可能產(chǎn)生兩種相反的作用：一方面，根據(jù)大基因組不相容原理，即對(duì)于含有大量重復(fù)序列的大基因組，這些“多余的DNA”會(huì)產(chǎn)生額外的消耗[7]，熱液和冷泉惡劣的環(huán)境下，會(huì)偏好于選擇較小的基因組，這一點(diǎn)由植物基因組大小的分布情況所支持[10，27]。另一方面，熱液和冷泉環(huán)境梯度多變(冷泉相對(duì)更穩(wěn)定，但會(huì)因?yàn)闈B流變化而變化)，當(dāng)生物受到環(huán)境刺激(如壓力、重金屬、溫度等)時(shí)，可能通過逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子擴(kuò)增或者多倍體形成而導(dǎo)致基因組大小增加[11]。然而，關(guān)于深海極端環(huán)境下生物基因組大小變化情況，目前研究還比較缺乏，相應(yīng)變異機(jī)制還不明確。

本文將通過深海極端環(huán)境中獲取的樣品C值數(shù)據(jù)與動(dòng)物基因組大小數(shù)據(jù)庫(http://www.genomesize.com/)中同一類群生物相比，來探究深海化能極端環(huán)境下基因組大小的分布模式。根據(jù)已有數(shù)據(jù)分布情況，本文中深海極端環(huán)境和其他環(huán)境的比較聚焦在貽貝科和十足目兩個(gè)分類水平上的物種C值的比較。

對(duì)于貽貝科(圖5)而言，只有深海偏頂蛤B.platifrons所在的Bathymodiolus屬包含深?；軜O端環(huán)境中的生物，其 C值大小和屬內(nèi)差異與非深海生物相比不存在明顯特異性，最大C值和最大差異都出現(xiàn)在Volsella屬。

圖5　貽貝科不同屬生物C值比較Fig.5　Comparisons of C-value in Mytilidae

十足目的比較結(jié)果(圖6)顯示， Alvinocarididae科和Galatheidae科基因組大小平均值分別為11.49 pg和9.65 pg，均值和科內(nèi)基因組大小差異相比其他科也沒有明顯特異性。然而，十足目中，極地和深海的一些物種如某極地蝦Sclerocrangonferox為40.89 pg、深海蝦Bythocarisirene為38.47 pg、某大西洋深海蝦Hymenodorasp.為38.00 pg等都具有較高水平的基因組大小，但是對(duì)于某淡水蝦Macrobrachiumohione也具有較大基因組，C值為22.16 pg。對(duì)于極地和深海環(huán)境中這些具有較大基因組的生物而言，其C值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同一個(gè)科內(nèi)其他物種，可能與所處的極端環(huán)境條件存在某種適應(yīng)關(guān)系，但這種現(xiàn)象在本文研究的深?；苌鷳B(tài)系統(tǒng)生物中并不存在。

盡管已有很多研究表明，基因組大小與一些生態(tài)因子相關(guān)[8，28—29]，但對(duì)于有些生物而言，C值與環(huán)境條件的關(guān)系卻并不明顯[11，37—38]。這種看似相悖的結(jié)論其實(shí)并不矛盾，基因組大小的多樣性涉及到多種因素交互作用，既可以通過突變丟失片段或者異常重組減小基因組大小[39—40]，也可以通過逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子擴(kuò)增、片段插入、雜交以及多倍體化等增加基因組大小[41—42]，很難用某個(gè)一維模型來解釋，關(guān)于基因組大小的統(tǒng)計(jì)描述主要是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)得到的，但是相比于物種多樣性而言，現(xiàn)有物種的基因組大小數(shù)據(jù)可能并不能代表整體上基因組大小的實(shí)際情況，因此有待進(jìn)一步對(duì)深?；苌鷳B(tài)系統(tǒng)生物開展基因組測序研究。

圖6　十足目不同科生物C值比較Fig.6　Comparisons of C-value in Decapoda

5結(jié)論

綜上所述，本研究中個(gè)體間基因組大小存在差異的物種中不存在亞種，這種差異與個(gè)體大小也不相關(guān)。熱液和冷泉不同環(huán)境條件下的共有種基因組大小差異不顯著，深海極端環(huán)境下生物的基因組大小，也并沒有明確的變化趨勢。

研究深海極端環(huán)境下無脊椎生物的基因組大小變化模式，在較低等分類階元上獲取更多的深海生物基因組大小基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是非常重要的，此外，還應(yīng)該考慮補(bǔ)充不同環(huán)境條件下以及熱液和冷泉物種親緣關(guān)系較近物種的C值數(shù)據(jù)，才能獲得更深入的認(rèn)識(shí)。雖然關(guān)于十足目基因組大小的分析結(jié)果，并不支持極端環(huán)境下的大基因組限制理論，但是根據(jù)本文檢測的結(jié)果，深?；軜O端環(huán)境下基因組大小與其他環(huán)境相比差異并不明顯，可能預(yù)示著極端環(huán)境下對(duì)基因組大小兩種相反的影響機(jī)制都存在，還需要進(jìn)一步研究。

致謝：首先，感謝“科學(xué)”號(hào)2014年沖繩熱液航次和南海冷泉航次的所有工作人員，采集并提供了如此珍貴的深海生物樣品。其次，感謝中國科學(xué)院海洋研究所沙忠利老師、劉磊老師和趙越同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過程中給與的幫助和指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Beaulieu J M， Leitch I J， Knight C A. Genome size evolution in relation to leaf strategy and metabolic rates revisited[J]. Ann Bot， 2007， 99(3): 495-505.

[2]Wyngaard G A， Rasch E M， Manning N M， et al. The relationship between genome size， development rate， and body size in copepods[J]. Hydrobiologia， 2005， 532(1/3): 123-137.

[3]Beaulieu J M， Leitch I J， Patel S， et al. Genome size is a strong predictor of cell size and stomatal density in angiosperms[J]. New Phytol， 2008， 179(4): 975-986.

[4]Gregory T R. The bigger the C-value， the larger the cell: genome size and red blood cell size in vertebrates[J]. Blood Cells Mol Dis， 2001， 27(5): 830-843.

[5]Vinogradov A E. Genome size and extinction risk in vertebrates[J]. Proc Biol Sci， 2004， 271(1549): 1701-1705.

[6]Bottini M C J， Greizerstein E J， Aulicino M B， et al. Relationships among genome size， environmental conditions and geographical distribution in natural populations of NW Patagonian species ofBerberisL. (Berberidaceae)[J]. Annals of Botany， 2000， 86(3): 565-573.

[7]Jordan G J， Carpenter R J， Koutoulis A， et al. Environmental adaptation in stomatal size independent of the effects of genome size[J]. New Phytol， 2015， 205(2): 608-617.

[9]Flavell R B， Bennett M D， Smith J B， et al. Genome size and the proportion of repeated nucleotide sequence DNA in plants[J]. Biochem Genet， 1974， 12(4): 257-269.

[10]Knight C A， Molinari N A， Petrov D A. The large genome constraint hypothesis: evolution， ecology and phenotype[J]. Ann Bot， 2005， 95(1): 177-190.

[11]Bonnivard E， Catrice O， Ravaux J， et al. Survey of genome size in 28 hydrothermal vent species covering 10 families[J]. Genome， 2009， 52(6): 524-536.

[12]Nyholm S V， Robidart J， Girguis P R. Coupling metabolite flux to transcriptomics: insights into the molecular mechanisms underlying primary productivity by the hydrothermal vent tubeworm Ridgeia piscesae[J]. Biol Bull， 2008， 214(3): 255-265.

[13]Jebbar M， Franzetti B， Girard E， et al. Microbial diversity and adaptation to high hydrostatic pressure in deep-sea hydrothermal vents prokaryotes[J]. Extremophiles， 2015， 19(4): 721-740.

[14]Marcon Y， Sahling H， Borowski C， et al. Megafaunal distribution and assessment of total methane and sulfide consumption by mussel beds at Menez Gwen hydrothermal vent， based on geo-referenced photomosaics[J]. Deep-Sea Research Part Ⅰ: Oceanographic Research Papers， 2013， 75: 93-109.

[15]Dziak R P， Johnson H P. Hydrothermal systems. Stirring the oceanic incubator[J]. Science， 2002， 296(5572): 1406-1407.

[16]Van Dover C L， German C R， Speer K G， et al. Evolution and biogeography of deep-sea vent and seep invertebrates[J]. Science， 2002， 295(5558): 1253-1257.

[17]Vanreusel A， De Groote A， Gollner S， et al. Ecology and biogeography of free-living nematodes associated with chemosynthetic environments in the deep sea: a review[J]. PLoS One， 2010， 5(8): e12449.

[18]梁智輝， 朱慧芬， 陳九武. 流式細(xì)胞術(shù)基本原理與實(shí)用技術(shù)[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社， 2008.

Liang Zhihui， Zhu Huifen， Chen Jiuwu. The basic principles and practical techniques of flow cytometry[M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press， 2008.

[19]Bachmann K， Rheinsmith E L. Nuclear DNA amounts in pacificCrustacea[J]. Chromosoma， 1973， 43(3): 225-236.

[20]Ikuta T， Takaki Y， Nagai Y， et al. Heterogeneous composition of key metabolic gene clusters in a vent mussel symbiont population[J]. The ISME Journal， 2016， 10(4): 990-1001.

[21]Kuwahara H， Yoshida T， Takaki Y， et al. Reduced genome of the thioautotrophic intracellular symbiont in a deep-sea clam，Calyptogenaokutanii[J]. Current Biology， 2007， 17(10): 881-886.

[23]Sella G， Redi C A， Ramella L， et al. Genome size and karyotype length in some interstitial polychaete species of the genusOphryotrocha(Dorvilleidae)[J]. Genome， 1993， 36(4): 652-657.

[24]Escribano R， McLaren I A， Breteler W C M K. Innate and acquired variation of nuclear DNA contents of marine copepods[J]. Genome， 1992， 35(4): 602-610.

[25]Zhang Xuelian， Onozato H. Hydrostatic pressure treatment during the first mitosis does not suppress the first cleavage but the second one[J]. Aquaculture， 2004， 240(1/4): 101-113.

[26]Ellis L L， Huang Wen， Quinn A M， et al. Intrapopulation genome size variation in D. melanogaster reflects life history variation and plasticity[J]. PLoS Genet， 2014， 10(7): e1004522.

[28]Rakic T， Siljak-Yakovlev S， Sinzar-Sekulic J， et al. Morphological and genome size variations within populations of Edraianthus graminifolius “Jugoslavicus” (Campanulaceae) from the central Balkan peninsula[J]. Archives of Biological Sciences， 2014， 66(2): 743-763.

[29]Achigan-Dako E G， Fuchs J， Ahanchede A， et al. Flow cytometric analysis inLagenariasiceraria(Cucurbitaceae) indicates correlation of genome size with usage types and growing elevation[J]. Plant Systematics and Evolution， 2008， 276(1/2): 9-19.

[30]Deiana A M， Cau A， Coluccia E， et al. Genome size and AT-DNA content in thirteen species of Decapoda[M]//Schram F R， von Vaupel Klein J C. Crustaceans and the Biodiversity Crisis. Leiden， the Netherlands: Koninklijke Brill NV， 1999: 981-985.

[31]McLaren I A， Sévigny J M， Frost B W. Evolutionary and ecological significance of genome sizes in the copepod genusPseudocalanus[J]. Canadian Journal of Zoology， 1989， 67(3): 565-569.

[32]Lécher P， Defaye D， Noel P. Chromosomes and nuclear DNA of Crustacea[J]. Invertebrate Reproduction & Development， 1995， 27(2): 85-114.

[33]Badaracco G， Baratelli L， Ginelli E， et al. Variations in repetitive DNA and heterochromatin in the genusArtemia[J]. Chromosoma， 1987， 95(1): 71-75.

[34]Bentkowski P， Van Oosterhout C， Mock T. A model of genome size evolution for prokaryotes in stable and fluctuating environments[J]. Genome Biol Evol， 2015， 7(8): 2344-2351.

[35]Traut W， Rees D J， Dufresne F， et al. Amphipod genome sizes: first estimates for Arctic species reveal genomic giants[J]. Genome， 2007， 50(2): 151-158.

[36]Moens P， Rees D J， Belzile C， et al. Large genomes among caridean shrimp[J]. Genome， 2008， 51(2): 159-163.

[37]Nardon C， Weiss M， Vieira C， et al. Variation of the genome size estimate with environmental conditions inDrosophilamelanogaster[J]. Cytometry A， 2003， 55(1): 43-49.

[39]Petrov D A， Sangster T A， Johnston J S， et al. Evidence for DNA loss as a determinant of genome size[J]. Science， 2000， 287(5455): 1060-1062.

[40]Devos K M， Brown J K M， Bennetzen J L. Genome size reduction through illegitimate recombination counteracts genome expansion inArabidopsis[J]. Genome Research， 2002， 12(7): 1075-1079.

[41]Petrov D A. Mutational equilibrium model of genome size evolution[J]. Theor Popul Biol， 2002， 61(4): 531-544.

[42]Baack E J， Whitney K D， Rieseberg L H. Hybridization and genome size evolution: timing and magnitude of nuclear DNA content increases inHelianthushomoploid hybrid species[J]. New Phytol， 2005， 167(2): 623-630.

Survey of genome size in 10 invertebrates from hydrothermal vent and cold seep

Zheng Ping1，2，Wang Minxiao1，Li Chaolun1，Sun Song1

(1.KeyLaboratoryofMarineEcologyandEnvironmentalSciences，InstituteofOceanology，ChineseAcademyofSciences，Qingdao266071，China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)

Abstract:Knowledge of genome size is an important prerequisite for the development of many genomic resources. To better understand the evolution of genome size and their roles in environmental adaption， it is necessary to collect data covering a broad taxonomic base， especially from particular ecosystems. With high disturbance and unique environmental features， hydrothermal vent and cold seep offer a typical model to investigate the variation of genome size under extreme environments. Here we measured 10 deep-sea invertebrates from hydrothermal vent and cold seep by flow cytometry. The C-value ranged from 0.87 pg to 12.28 pg， and the crustaceans have larger genomes. Then we compared the three common species (Bathymodiolus platifrons， Shinkaia crosnieri and Alvinocaris longirostris) in both environments. Though with high level of intraspecific variations， no significant differences were revealed between two populations. We also compared the obtained genome sizes to their corresponding taxonomic relatives (at family or order level). No evidence of genome size expansion or reduction were found in invertebrates from chemosynthetic environments. In our study， there are no clear trends of the genome size variations under the extreme deep-sea ecological conditions．

Key words:hydrothermal vent; cold seep; chemosynthetic system; genome size; C-value; flow cytometry

收稿日期：2015-12-24；

修訂日期：2016-02-17。

基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院創(chuàng)新國際團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(20140491526)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)資助(XDA11020305)；國家基金委-山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目“海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)”(U1406403)；自然科學(xué)基金(41106133，41230963)。

作者簡介：鄭平(1990—)，女，湖北省孝感市人，從事深海生物適應(yīng)性機(jī)制研究。E-mail: zhengping13@mails.ucas.ac.cn *通信作者：孫松，男，研究員，主要從事生物海洋學(xué)研究。E-mail:sunsong@qdio.ac.cn

中圖分類號(hào):Q948.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-4193(2016)06-0041-10

鄭平，王敏曉，李超倫，等. 熱液和冷泉無脊椎動(dòng)物基因組大小測定及比較[J].海洋學(xué)報(bào)，2016，38(6)：41—50， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.06.005

Zheng Ping，Wang Minxiao，Li Chaolun， et al. Survey of genome size in 10 invertebrates from hydrothermal vent and cold seep[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(6)：41—50， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.06.005