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一文告诉你海马为何是雄性繁衍后代?

归档日期:05-02       文本归类:海马      文章编辑:爱尚语录

  海马为何是雄性繁衍后代?作为一条鱼,为何头部长得像马?海马的进化,和其他物种有何不同?这些有关海马的“为什么”,中国科学院南海海洋研究所林强研究员课题组,昨日从基因层面给出了答案。林强研究团队的这一研究发现,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,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。全基因组数据分析还表明,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。12月15日,林强研究员课题组主导,德国、新加坡和华大基因等实验室共同完成的研究论文“T he seahorse genom e and the evolution ofitsspecialized m orphology”(海马基因组及其特异体型的进化机制),在国际学术期刊N ature主刊上,以封面长篇论文(A rticle)的形式在线发表。

  海马是一类小型的硬骨鱼类,隶属于海龙科、海马属,海马广泛分布于海洋近岸及珊瑚礁海域,被视为海洋生态系统中重要的环境指示物种。顾名思义,海马的头部长得像马,而躯干呈七棱形,直立游泳。最特别之处在于它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。

  “国内进行海马基础性研究较少,国外较多。”林强对南都记者表示,研究团队成立5年来,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。通过多年研究积累,团队已在国际海龙科鱼类研究领域占据了一席之地。林强介绍,团队评价了我国沿海分布的30多种海龙科鱼类的分布、群体结构和遗传分化特征;基于全基因组重测序和简化基因组测序技术,结合已完成海马(虎尾海马、三斑海马、线纹海马、腹囊海龙)的全基因组序列,建立高密度的遗传多态性数据库,精确分析我国近海优势海马种与北美海马优势种的群体结构及遗传分化特征。“现在海马的数量非常少,二十年前在深圳湾能看到海马,但现在整个南海区域,数量不如之前的十分之一”。林强说,本次的海马样本从南海采集。

  “这一次的海马全基因组测序工作是我们团队来发起的。”林强说,为了解海马适应性进化的分子基础,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,2013年初正式启动海马全基因组的研究,“也得到德国、新加坡、华大基因等相关团队的支持。”“我们是国际上率先完成海马全基因组测序及数据分析。”历时3年攻关,林强说,从取材到具体分析,整个工作非常漫长,每一步都要跟踪、研讨。

  这一研究将为鱼类的基础与应用研究提供重要的数据信息。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。林强说,到现在为止,真正报道的全基因组仅几十个。“通过全基因组比较,有一个图示显示,海马的基因变异突变速度,相比于其他物种是最快的。”具体看,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(O R s);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。

  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。谜底一直备受科学界关注。这一次,林强研究团队从基因层面首次揭秘。研究人员发现,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,并拥有“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出现新的功能,为揭开海马雄性育儿之谜取得了重要突破。

  林强说,此次基因分析中发现了一系列基因与育儿相关,论文中采用了一个pastn基因。“在雄海马受精,胚胎发育过程中,这一基因能提供包括生理、营养、免疫等在内的相应调控,且能对幼鱼(幼苗)进行保护”。他说,这一基因本身会影响育儿袋的产生,也会根据发育状况不同起到不同调控作用。不过,这一基因并非只存在雄性中。“在雌性中也存在,但比较少,主要存在雄性育儿袋中。”他说,这是第一次论证了海马雄性育儿的基因层面的原因。

  海马本质上是一条鱼,但它的体型却非常特殊,比如头部像马一样,腹部能够弯曲。“为什么会是这样的形状?”林强说,团队通过基因层面进行了分析。结果发现,的确存在相关基因调控了海马的体形特征。

  “海马的Hox基因分布,调控基因的序列,与其他鱼不同。”他介绍,该研究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。转基因研究进一步证实了体型相关的Hox基因CNE的缺失,对海马体型起到了关键的调控作用。此外,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。

  海马腹鳍退化机制研究,也是该论文的亮点内容之一。为适应海马直立游泳的运动方式,海马的腹鳍在长期进化中丢失了。“海马的腹鳍相当于高等动物的下肢或人的腿,是很重要的一个器官”。林强说。海马的腹鳍为什么会丢失?林强研究团队发现,一个基因的缺失导致腹鳍丢失的直接现象。

  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。林强说,这一发现在整个生物界中非常重要。该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重要线索,对于加深人类认识海马生物学特性和海洋鱼类进化地位具有重要意义。“对我们未来研究鱼类有重要意义,为将来研究器官形成、发育、丢失、发育提供很多证据。”

  此次基因测序还发现,海马的嗅觉基因很不发达,但视觉基因却非常发达。林强说,嗅觉受体基因(ORs)的数目只有26个,而其它鱼类多达60-169个。他说,这与海马的生活习性相关,由于它主要在近岸和海草丛中生存,对嗅觉要求不高。“近海风浪较大,水流较快,海马的视觉非常发达,能敏锐看到活动的东西,便于捕捉食物逃避敌害,这是一种生存的补偿。”

  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。林强说,下一步,将继续对其他海龙科生物进行研究。“希望会尽快有一些新的科学进展”。他说,未来研究方向将侧重关注海马、海龙这一类生物的起源问题——— 它严格意义上是一条普通的鱼,但为什么会有这样的起源,从行为和繁殖上为何有这样的特征?“我们想从物种的形成上去做一些探讨”。

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