作者:林强等 来源:《自然》 发布时间:2016/12/15 10:40:11
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海马基因组及环境适应进化机制获揭示


 

国际学术期刊Nature主刊于12月15日以封面长篇论文(Article)的形式在线发表了中国科学院南海海洋研究所林强研究员课题组主导,德国、新加坡等实验室共同完成的研究论文“The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology”(海马基因组及其特异体型的进化机制);该研究首次完成了海马全基因组的测序与分析,在此基础上揭示了海马在长期适应近海和岛礁环境的过程中出现的适应性进化特征。论文链接(http://www.nature.com/nature/journal/v540/n7633/full/nature20595.html)。该研究工作得到了国家优秀青年基金项目(41322038)、中科院先导专项(XDA13020103)、863青年科学家项目(2015AA020909)等资助。

海马是一类小型的硬骨鱼类,隶属于海龙科、海马属,它们广泛分布于世界各大海域,是海洋生态系统中重要的环境指示物种。海马因其独特的药用功效而被誉为海洋“人参”,在中医药中具有非常广泛的应用,是一种珍稀的海洋药源动物。海马具有雄性育儿的繁殖特征和特异的交配行为,雄性海马具有育儿袋,受精卵可在其中孵化,这种特殊器官的发育以及繁殖行为的特殊性使得海马在进化生物学和繁殖生物学的研究中受到科学界的高度关注。 林强研究团队自成立以来,一直在开展以海马及海龙科动物为主的海洋动物的资源、生理和适应性进化研究,通过多年研究的积累,团队已在国际海龙科鱼类研究领域占据了一席之地。

近年来,为了更深入的探讨海马对近岸和岛礁生态系统的适应性,了解海马适应性进化的分子基础,林强研究团队在前期海马行为进化和基础生物学研究的基础上,启动了海马全基因组的研究。 历经3年的协同攻关和深入探索,研究团队最终在国际上首次完成了海马的全基因组测序及数据分析,这将为鱼类的基础与应用研究提供了重要的数据信息。全基因组数据分析表明,海马是目前已获得全基因组的鱼类中进化速率最快的物种,这或许跟海马特异的体型和行为有某种关联(图1)。海马主要栖息在海洋近岸和珊瑚礁海域,其行为和生理特征已经适应了特定的海洋生态环境,研究发现海马跟环境适应相关的基因在长期的进化过程中发生了明显收缩,如嗅觉受体基因(ORs)的数目只有26个,而其它鱼类多达60-169个。另外,海马没有鳞片和牙齿,周身包被角质皮层和环骨,研究人员发现其分泌型钙结合磷蛋白(SCPP)主要参与骨骼、牙釉质和牙本质等的形成,而该类基因在海马中严重缺失,只保留了2个。与此同时,研究人员对海马的非编码调控原件(CNEs)进行整体分析,发现海马的CNE较其它已知鱼类出现严重的缺失现象,通过对模式生物--斑马鱼进行转基因研究,进一步证实了体型相关的Hox基因CNE的缺失对海马体型确实起到了调控作用。由于海马为直立游泳,运动能力弱,其尾巴常卷在附着物上,通过伪装色来捕食和躲避敌害生物。这些特殊的生活史特征与其生存的环境是密切相关的,其关联基因在长期的进化过程中或许已经“雕刻”了海马特异的体型。 海龙科鱼类是目前已知动物中唯一拥有“雄性育儿”行为的物种,这种特殊行为的出现一直吸引着科学家们的广泛关注,基因组信息分析发现海马育儿袋相关的新颖基因pastn基因发生扩增,并出现特异高表达;虽然在剑尾鱼(platyfish)的c6ast基因家族中也有类似pastn基因的结构及其相同的组合方式,但海马的pastn基因拥有“独立进化”的模式;pastn基因重复的基因选配机制在育儿袋的产生及其雄性怀孕过程中展现出新的功能特征。这些发现使科学家们在解开海马雄性育儿之谜的道路上迈出了关键的一步,这是令人兴奋的重大突破。

此外,为适应海马直立游泳的运动方式,海马的腹鳍在长期的进化过程中已经丢失了,从基因组层面对海马腹鳍退化机制的研究也是该论文的亮点内容之一。研究人员通过对海马和其它鱼类全基因组的比较,发现海马缺失tbx4基因,基于CRISPR/Cas9 tbx4-/-验证发现敲除后斑马鱼的腹鳍完全丢失,但并没有引起其它体型相关特征的改变,从而揭示了tbx4基因的丢失是海马腹鳍缺失的关键原因。该项研究结果将为阐明鱼类进化过程中腹鳍丢失的分子机制提供了重要线索,加深了人们对于海马生物学特性的认识,对于海洋鱼类的进化研究具有非常重要的参考意义。 综上,林强及其合作研究团队在国际上率先完成了海马的全基因组研究,揭示了海马是一种快速进化的物种(Nature封面评价:Evolution At a Gallop),并从基因层面探讨了育儿袋形成和怀孕过程,揭开了海马雄性育儿之谜;与此同时,该团队瞄准国际上对于海洋鱼类的进化研究高地,首次阐明了海马特异体型进化机制,为人类重新认识海洋鱼类进化地位和环境适应性开拓了新视角,对推动海洋生物学科发展具有重大意义。 科学的意义在于不断的探索和发现,海马神秘的面纱正被慢慢的揭开,然而海洋带给我们的太多未知仍需要我们去继续发现。(来源:科学网)

 
 
 
 
 
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