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    吕振明教授团队在《Nature Genetics》上发表论文揭示比目鱼类的进化起源及其独特体型的形成机制

    2021年04月21日 14:52  点击:[]

    近日,浙江海洋大学海洋科学与技术学院吕振明教授团队开展的鲽形目(又称比目鱼)鱼类起源及其体轴形成机制的研究,取得了重要进展。该成果以"Large-scale sequencing of flatfish genomes provides insights into the polyphyletic origin of their specialized body plan" 为题,于2021年4月19日在Nature子刊《Nature Genetics》上发表,该期刊近5年的影响因子为30.35。

    图1.本研究涉及的物种及其海域分布范围

    比目鱼为硬骨鱼纲鲽形目种类,是迄今发现的地球上体型最为独特的鱼类之一。在漫长的底栖适应过程中,比目鱼类逐步演化出了扁平且不对称的体型结构,扁平体轴使其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)而躲避敌害;而不对称体型(如眼睛偏转至脑颅同侧)则赋予了鲽形目鱼类埋栖时的双视野,从而使其更容易定位和捕食猎物而获得生存竞争优势;而更奇特的是比目鱼的鳍也发生了明显改变,使其可通过长而有力的背鳍、臀鳍和短而强壮的胸鳍协调运动形成“鳍足”以全新的脊椎动物步伐在海底“行走”;并在其休息时依靠其强壮的胸鳍将身体微微撑起,以更敏锐的视角观察周围的猎物和敌害,可以说从进化角度讲,鲽形目鱼类可能代表了硬骨鱼类底栖环境适应性进化的典型和极致。然而如此独特的鲽形目鱼类是如何起源的?其通过何种机制逐步进化出如此独特的体轴特征的?多年来一直存在争论。部分关键体征(如不对称的眼)从传统的进化论角度是如此难以诠释,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(见达尔文《物种的起源》第六版),因而在此背景下全面阐明鲽形目鱼类起源及其独特体轴形成机制具有独特的学术价值。

    该团队通过与国内其他高校科研院所的合作经过近四年的研究,解析了10个比目鱼及其近源物种的基因组,辅以实验验证,终于成功地揭示了鲽形目的鲽亚目和鰜亚目是在白垩纪晚期,通过二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。进一步通过比较基因组的分析发现,鲽形目鱼类基因组中许多与肌营养不良蛋白-糖蛋白复合体(Dystrophin-associated Glycoprotein Complex)和脂肪代谢相关的基因发生大量变异,在人类、鱼类等脊椎动物中,肌营养不良蛋白-糖蛋白复合体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,而比目鱼脂肪基因的变异也可能加快了其体内脂肪的氧化分解而减少了脂肪的积聚量,这可能很好地解释了比目鱼类为何拥有薄而扁平的体壁,也揭示了“Flatfish”(鲽形目鱼类)为什么”flat”(扁平)的基因组奥秘。

    图2.比目鱼中部分基因的变异及其在扁平体轴发育中的可能作用机制

    同时该研究还发现,比目鱼基因组中与体轴发育相关的RA(视黄酸)和WNT信号通路的部分基因也发生明显的改变,在人类和斑马鱼等脊椎动物中,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,暗示其在比目鱼不对称体轴发育中的作用;同时通过进一步转录组学的研究发现,RA和WNT信号通路的一些核心基因还在比目鱼类变态发育过程中发生了不对称表达,该现象正好与比目鱼类在变态过程中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,同时其颅骨、肌肉厚度、皮肤色素等在变态过程中也逐步呈现出明显的左右不对称发育的表型相吻合。该结果进一步表明RA和WNT信号通路可能在比目鱼不对称体轴发育过程中扮演着重要角色。此外,研究还发现比目鱼基因组中与鳍发育有关的基因(如Hoxd12a、bhlha9基因)发生了明显的改变,这些基因的突变在其它鱼类中会造成鳍形态发育的急剧变化(或造成鳍的扩展、延长或造成部分鳍的退化消失),比目鱼基因组中这些基因的突变或许是其鳍形态发生明显改变(背鳍、臀鳍扩展延长,胸鳍、腹鳍急剧缩短),能够形成“鳍足”以全新的脊椎动物步伐在海底“行走”的重要原因。

    图3. 比目鱼中部分基因的变异及其在不对称体轴发育中的可能作用机制

    该研究还发现,尽管鲽亚目和鰜亚目种类通过相似的基因(如肌营养不良蛋白-糖蛋白复合体、脂肪代谢相关基因)及信号通路(RA和WNT)来形成鲽形目的独特体征。但鰜亚目显然也有其独特的基因组变异(如与鲽亚目相比,鰜亚目基因变异往往发生在同一信号通路的不同基因;或同一基因的不同位点),这不仅进一步佐证了比目鱼的非单系起源,同时也很好解释了鲽形目和鳒亚目种类何以在体轴的扁平和不对称程度方面存在着明显的差异(如在体轴扁平化和不对称程度上鲽亚目种类都要比鳒亚目种类更高);但起源不同的鲽亚目和鳒亚目种类却通过类似基因和信号通路的趋同进化而形成相似的体型为理解比目鱼类独特体轴形成机制这一古老的科学问题提供了不可多得的进化场景。通过该研究,研究人员不仅基本阐明了困扰人类多年的比目鱼类起源及其独特体轴形成机制等问题,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,也为揭示人类内缘性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。

    浙江海洋大学吕振明教授是本文的第一作者,龚理副研究员、陈永久副教授和刘立芹副教授与西北工业大学的任彦栋博士、王忠凯和黎浩榕等为本文的共同第一作者。西北工业大学的李永鑫博士、中国科学院南海海洋研究所孔晓瑜研究员和西北工业大学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。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,该研究依托海洋科学学科(浙江省一流学科)和海洋生物种质发掘利用国家地方联合工程实验室,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。科学网等媒体对本文进行了转载和报道。


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