近日，美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）以封面論文和同期亮點(diǎn)推薦的形式，發(fā)表了中國科學(xué)院南海海洋研究所（以下簡稱南海海洋所）研究員林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與合作者的最新研究成果。他們聚焦海龍科魚類對珊瑚共棲的適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制，成功解密了珊瑚礁共棲物種形成與適應(yīng)進(jìn)化的遺傳調(diào)控機(jī)制，為生物多樣性研究提供了全新視角。
“在國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助下，我們以典型的珊瑚礁共生物種豆丁海馬為研究對象，解析了其體型小型化和擬態(tài)演化的關(guān)鍵遺傳因素，驗(yàn)證了hoxa2b基因?qū)︳~類頜面骨骼發(fā)育的重要調(diào)控功能，并首次提出珊瑚能驅(qū)動其共棲物種小型化的新觀點(diǎn)。”論文共同通訊作者林強(qiáng)對《中國科學(xué)報(bào)》表示。
《國家科學(xué)院院刊》編輯和審稿人對該項(xiàng)研究給予了高度評價(jià)。他們認(rèn)為，豆丁海馬作為珊瑚礁共生的典型代表，研究團(tuán)隊(duì)通過詳實(shí)的數(shù)據(jù)和深入的分析，揭示了其獨(dú)特的小型化、擬態(tài)和免疫等遺傳特征，是一項(xiàng)十分有趣且有意義的工作。
當(dāng)期期刊封面。研究團(tuán)隊(duì)供圖，下同
豆丁海馬與珊瑚共生之謎
海洋生物的起源、演化及多樣性形成機(jī)制一直是國際學(xué)界的熱點(diǎn)問題。在廣袤的海洋中，珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)以其極高的生物多樣性脫穎而出，成為眾多海洋新生命的搖籃。在漫長的演化歷程中，珊瑚礁物種為適應(yīng)環(huán)境，演化出多彩體色和個體小型化等特征。
豆丁海馬堪稱珊瑚礁中的“偽裝大師”，它是已知體型最小的硬骨魚類之一，成體全長僅1-2厘米，終生專性棲息在柳珊瑚上。與其他海馬不同，豆丁海馬沒有育兒袋結(jié)構(gòu)，胚胎植入雄魚體內(nèi)發(fā)育，形成了獨(dú)特的“雄性體內(nèi)懷孕”模式。
為了更好地融入宿主柳珊瑚環(huán)境，豆丁海馬全身覆蓋類似柳珊瑚的瘤狀結(jié)節(jié)，“長吻”退化，與柳珊瑚在視覺上幾乎融為一體，堪稱自然界的“偽裝高手”。
然而，柳珊瑚分泌的毒素屬于自然界中最致命的天然毒素之一，這給豆丁海馬與柳珊瑚的零距離接觸帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。兩者之間這種獨(dú)特的附生關(guān)系是如何形成的？柳珊瑚又是如何驅(qū)動豆丁海馬體型演化的？這些問題一直是學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
為了解開這些謎題，林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國康斯坦茨大學(xué)教授、南海海洋所特聘研究員Axel Meyer等科研人員，對豆丁海馬展開了多組學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)解析。研究發(fā)現(xiàn)，宿主珊瑚不僅“驅(qū)動”其偽裝能力演化，還改變其免疫能力，使其免疫能力顯著減弱，主要依靠珊瑚分泌的抗菌抗病毒活性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)免疫功能。
論文共同第一作者、南海海洋所副研究員曲朦表示，在與珊瑚共生演化過程中，珊瑚分泌物對豆丁海馬的生存是一把“雙刃劍”。一方面，豆丁海馬的神經(jīng)傳導(dǎo)和離子通道相關(guān)基因發(fā)生了顯著的快速進(jìn)化，表明它們可能衍生出對珊瑚毒素更強(qiáng)的耐受或抵抗能力；另一方面，豆丁海馬能夠利用宿主珊瑚分泌物的免疫保護(hù)功能來抵御外源病原體，這可能與豆丁海馬大量丟失免疫相關(guān)基因存在協(xié)同演化關(guān)系。
“豆丁海馬的演化過程受到宿主珊瑚的影響。豆丁海馬采取‘免疫精簡’策略，既降低了能量消耗，又有效避免了胚胎著床過程中的免疫排斥反應(yīng)，有助于‘雄性體內(nèi)懷孕’模式的形成。”曲朦稱，這種高度依賴宿主、通過主動“精簡”自身基因組獲取生存優(yōu)勢的過程，符合生物學(xué)中的“黑皇后假說”，即生物舍棄某些“昂貴”功能，依賴“伙伴”提供。
“雄性懷孕”的豆丁海馬
豆丁海馬獨(dú)特的“雄性懷孕”模式，不僅是一種奇特的繁殖方式，也蘊(yùn)含著深刻的生存策略。然而，在長期的演化過程中，這種適應(yīng)輻射也可能帶來潛在的生存風(fēng)險(xiǎn)。
豆丁海馬對宿主柳珊瑚的擬態(tài)表型。
豆丁海馬對柳珊瑚的依賴性已不可逆轉(zhuǎn)。一旦全球氣候變化和人類活動威脅到其特定的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)，豆丁海馬等依賴性物種將面臨嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)。
“該研究從構(gòu)思到發(fā)表歷經(jīng)約5年，最大困難是實(shí)驗(yàn)樣品問題。”論文共同第一作者、南海海洋所博士后張穎懿表示。豆丁海馬稀有且無法人工養(yǎng)殖，很多生物學(xué)實(shí)驗(yàn)無法在其身上操作。研究團(tuán)隊(duì)選擇線紋海馬作為替代進(jìn)行發(fā)育生物學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，由于“雄性懷孕”，海龍科魚類均無法進(jìn)行CRISPR基因編輯操作，研究團(tuán)隊(duì)使用模式物種斑馬魚進(jìn)行基因編輯后續(xù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
該研究發(fā)現(xiàn)，豆丁海馬基因組中丟失了大量與體型大小和頜面骨骼發(fā)育相關(guān)的保守非編碼區(qū)（CNE）。通過結(jié)合RNA-seq、ATAC-seq等數(shù)據(jù)的比較研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些丟失的CNE能夠調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)模式，進(jìn)而影響頜面骨骼的生長發(fā)育過程。
引人注目的是，hoxa2b基因發(fā)生了假基因化，即失去了功能。基于CRISPR基因編輯實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)敲除hoxa2b基因會導(dǎo)致魚類頜面骨骼發(fā)育畸形。由此，團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論：CNE丟失和關(guān)鍵基因（如hoxa2b）的功能突變，是驅(qū)動豆丁海馬體型極度小型化和短吻表型的關(guān)鍵遺傳因素。
著名遺傳學(xué)家、西班牙巴塞羅那大學(xué)教授Cristian Ca?estro指出：“在生命的演化中，基因丟失現(xiàn)象十分普遍。但這項(xiàng)出色的研究提供了一個清晰的例證，說明基因丟失有時(shí)反而能帶來益處，從而促成進(jìn)化上的創(chuàng)新和適應(yīng)性變化”。
英國海洋生物學(xué)家Richard Smith表示：“該研究揭示了一種殘酷的現(xiàn)象。這些海馬之所以能夠成功繁衍，正是得益于它們具備的一些特征，如完美的偽裝能力、小巧的體型以及獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)，但如今這些特征恰恰成了它們應(yīng)對環(huán)境變化最大的弱點(diǎn)”。
海龍科魚類研究的廣闊前景
珊瑚礁生物多樣性是海洋的無價(jià)之寶，其物種多樣性和遺傳多樣性成因是生物學(xué)界核心問題之一。其中，復(fù)雜的生物共生關(guān)系是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)多樣性形成的關(guān)鍵支撐，但除少數(shù)經(jīng)典共生（如蟲黃藻-珊瑚蟲）外，其他生物相互作用機(jī)制仍存在大片未知。
豆丁海馬與珊瑚共生的遺傳調(diào)控機(jī)制。
“豆丁海馬與柳珊瑚的共生關(guān)系，是共生驅(qū)動物種進(jìn)化的典型例子，為生物多樣性研究提供了新的理論和范式。”林強(qiáng)指出，豆丁海馬終生專性棲息在柳珊瑚上，柳珊瑚為其提供庇護(hù)，在長期共同演化中，豆丁海馬演化出與柳珊瑚高度相似的外表，這是數(shù)百萬年進(jìn)化留下的模仿“天賦”。
作為進(jìn)化速率最快、多樣性最為豐富的硬骨魚類群之一，海龍科魚類是一類具有獨(dú)特“雄性懷孕”特征的奇特物種，廣泛分布于全球熱帶和溫帶海域。其奇特形態(tài)與繁殖方式使其成為研究全球擴(kuò)散與定殖模式的重要旗艦類群。
多年來，林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)圍繞海龍科物種適應(yīng)性進(jìn)化過程開展研究，前期已明確諸多復(fù)雜性狀的進(jìn)化與遺傳調(diào)控機(jī)制。然而，近期調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分海龍科物種因棲息珊瑚而發(fā)生了完美的擬態(tài)行為，以提高其生存機(jī)會。這種對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的特異性適應(yīng)機(jī)理目前尚缺乏相關(guān)研究。
如今，林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的研究不僅揭示了豆丁海馬與柳珊瑚之間的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制，還為生物相互作用驅(qū)動的演化創(chuàng)新提供了新的視角。未來，隨著研究的不斷深入，我們有望揭開更多海洋生物進(jìn)化的奧秘，為保護(hù)海洋生物多樣性貢獻(xiàn)更多智慧和力量。
下一步，該團(tuán)隊(duì)將目光拓展至整個海龍目，明確海龍目魚類物種演化歷史和地理分布格局特征，詮釋其適應(yīng)輻射規(guī)律和物種高度多樣化的成因；揭示其適應(yīng)演化規(guī)律，尤其是“雄性懷孕”模式的演化過程；探究其遺傳脆弱性特征，解析對未來氣候變化的響應(yīng)模式，提出物種多樣性保護(hù)策略。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2423818122
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