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中国科学家阐明比目鱼类起源及其独特体型的形成机制

  中国科学家阐明比目鱼类起源及其独特体型的形成机制。 北京时间2021年4月19日晚23时,我国科研工作者在国际著名期刊Nature Genetics在线发表题为Large-scale sequencing of flatfish genomes provides insights into the polyphyletic origin of their specialized body plan的研究论文。

   该研究成功解析了8个鲽形目物种和2个鲈形目(用于帮助推断物种演化关系)物种的基因组序列。结合已有的公共数据,研究人员成功确定了鲽形目中的鲽亚目和鰜亚目物种分别于76.1和80.0个百万年前的白垩纪晚期,通过两次独立的进化事件由不同的鲈形目鱼类祖先演变而来的进化历史(图1)。

   浙江海洋大学的吕振明教授、龚理副研究员、陈永久副教授、刘立芹副教授以及西北工业大学任彦栋博士、博士生王忠凯、黎浩榕为本文的共同第一作者,西北工业大学王文教授团队的李永鑫博士为本文的通讯作者,中国科学院南海海洋研究所的孔晓瑜研究员与王文教授为本文的共同通讯作者;中国科学院昆明动物研究所的毛炳宇研究员和中国科学院水生生物研究所何舜平研究员及其团队成员也参与了本项研究。

   鲽形目鱼类(通常称作比目鱼)是迄今发现的地球上体型最为独特的硬骨鱼类之一。在漫长的底栖适应过程中,鲽形目鱼类逐步演化出了扁平且不对称的体型结构,以更好的适应底栖生活。然而,关于鲽形目鱼类的起源问题(单系/非单系起源)领域内争论了数十年仍未得到解决。此外,鲽形目鱼类是通过何种机制逐步演化出如此独特的体型结构(扁平和不对称)的一直不清楚。

   对于该问题的回答最早可追溯到达尔文时期,但在随后的100多年里该问题仍未得到充分阐明。部分关键体征(如不对称眼睛)从传统的进化论角度很难解释,以致于在历史上常常被进化论批评者作为反驳达尔文自然选择学说的强有利基石。在此背景下,全面阐明鲽形目鱼类的起源及其独特体型的形成机制具有重要的意义。

  

   图1:鲽形目鱼类的非单系起源。红色背景表示鲽亚目物种,紫色背景表示鰜亚目物种。

   研究人员发现,鲽形目鱼类基因组中与肌营养不良糖蛋白复合体 (Dystrophin-associated Glycoprotein Complex)和脂肪代谢相关的一些基因发生了明显改变。而之前在人和斑马鱼的多项研究中表明,该复合体相关基因的突变往往会造成其肌肉严重萎缩或肌纤维发育不良,暗示这些基因的改变可能在鲽形目鱼类体壁肌肉及体轴扁平化形成过程中起着重要作用。

   此外,研究人员对脂肪基因的实验分析确定了鲽形目鱼类独特的脂肪相关基因加快了其体内脂肪的氧化分解而减少了脂肪的积聚量,这进一步解释了鲽形目鱼类拥有的低脂肪含量和扁平体型结构的原因(图2)。这一扁平的体型结构使鲽形目鱼类能更容易将其侧扁的身体埋栖于一薄层泥沙之下(仅使眼睛露出),从而达到隐藏和逃避敌害的目的。这是鲽形目鱼类扁平体型形成机制的首次报道,同时也揭示了flat-fish(比目鱼)为什么flat(扁平)的基因组奥秘。

  

   图2:鲽形目鱼类扁平体型及其可能的形成机制。a:鲽形目鱼类具有扁平的体型结构;b:鲽形目鱼类扁平体型可能的形成机制。

   除了扁平的体型结构,体轴的不对称发育更是鲽形目鱼类最引人关注的体型特征。这集中体现在鲽形目鱼类在其胚后的变态发育过程中,其一侧眼睛会逐步偏转迁移到身体的另一侧而最终展现出双眼位于身体同侧的表型。同时,其颅骨、肌肉厚度、皮肤色素等在这一变态过程中也逐步呈现出明显的左右不对称发育。

   此前中国水产科学研究院黄海水产研究所的科学家2017年在Nature Genetics上发表的论文已经发现RA可能与体轴不对称有关。本研究经过进一步系统的分析发现,鲽形目鱼类基因组中与体轴发育相关的视黄酸(RA)通路和WNT通路的一些基因发生了明显的改变。而在斑马鱼等动物的研究中已发现,这些基因的突变往往会造成颅面组织及身体发育的不对称,暗示这两个信号通路在比目鱼不对称体型结构的形成中同样具有重要的作用。

  

   通过进一步对比分析鲽形目鱼类在其变态过程中身体左-右两侧的表达谱发现,这两个通路中的一些核心基因确实出现了左右两侧的不对称表达,这也就说明了鲽形目不对称体轴发育形成的可能的遗传基础(图3)。

   图3:鲽形目鱼类不对称体型及可能的形成机制。a:牙鲆(鲽形目鱼类的一种)不对称体型的发育过程;b:鲽形目鱼类不对称体型可能的形成机制。

   此外,研究人员还发现,为了更好地适应底栖生活,鲽形目鱼类中与视觉、免疫响应、低氧应答和心血管发育等相关的一些基因发生了改变。其中,视觉和免疫相关基因的改变可能与底栖环境中较弱的光线和较多的病原微生物有关;低氧应答相关基因的改变暗示鲽形目鱼类可能是通过低氧耐受来适应底栖生境稀薄的氧气环境;而鲽形目鱼类独特的捕食方式(长时间趴在海底遇到猎物猛烈起身攻击)可能是其心血管系统发生改变的重要原因。

   通过该项研究,研究人员不仅基本阐明了困扰科学家多年的鲽形目鱼类起源及其独特体型形成机制等问题,同时也大大深化了人类对现今动物界中占主导的左右对称体轴的形成、维持和变异机制的理解,也为揭示人类相关疾病如肌肉萎缩症和颅面畸形等疾病的致病机理提供了参考。

   浙江海洋大学、西北工业大学、中国科学院南海海洋研究所、中国科学院昆明动物研究所、中国科学院水生生物研究所为本文的共同属名单位,该研究得到了国家自然科学基金项目和遗传资源与进化国家重点实验室开放课题等项目的支持。(来源:科学网)

   相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41588-021-00836-9

  
作者:王文等 来源:《自然—遗传学》

分类标签:科学进展  

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