《自然·通訊》揭示海馬起源及其全球擴散的時空路徑與適應(yīng)進(jìn)化機制
近日，由中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室林強研究員團(tuán)隊主導(dǎo)，中科院昆明動物所、德國康斯坦茨大學(xué)等團(tuán)隊聯(lián)合研究，首次明確了印-太交匯區(qū)的印-澳群島是全球海馬的起源中心，并原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)了在地質(zhì)、洋流驅(qū)動下海馬全球擴散路徑的時空特征及生態(tài)適應(yīng)與進(jìn)化機制，提出了印-太海馬類群由古特蒂斯海和南非好望角兩條路徑先后進(jìn)入大西洋的新觀點（圖1）。相關(guān)研究成果“Genome sequences reveal global dispersal routes and suggest convergent genetic adaptations in seahorse evolution”于2月17日在線發(fā)表于國際著名刊物《自然·通訊》（Nature Communications）。
與陸地生物不同，在全球海洋范圍內(nèi)，海洋生物起源與全球擴散機制及生物多樣性形成一直是國際上飽受爭議的核心科學(xué)問題。目前，雖然美國、德國、澳大利亞等相關(guān)實驗室也一直聚焦全球大洋生物類群的局部區(qū)域擴散模式與生物地理格局形成等研究，但在海洋生物的全球多樣性形成及其驅(qū)動機制等研究方面，一直缺少全球大洋綜合尺度的研究。以單一海洋生物類群作為研究載體實施全球海洋生物的起源與擴散研究，進(jìn)而探索在大洋洋流、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等驅(qū)動因素下的海洋生物多樣性形成機制，這在海洋領(lǐng)域研究尺度和范式上尚無報道。
與其他海洋生物類群相比，海馬在探究全球海洋生物擴散與多樣性形成機制研究方面具有天然優(yōu)勢。海馬游泳能力弱，卵胎生，屬局域性生活物種，被認(rèn)為是研究地質(zhì)活動和洋流對海洋生物擴散及其多樣化影響的“旗艦物種”；同時，在海馬擴散過程同步伴隨了豐富的表型分化，這可能是對新環(huán)境發(fā)生了快速適應(yīng)性進(jìn)化。先前的報道已明確海馬是目前整個硬骨魚中進(jìn)化速率最快的物種（Nature, 2016; NSR, 2020），具有通過快速進(jìn)化適應(yīng)新環(huán)境的潛力。
研究團(tuán)隊基于全球21個海馬優(yōu)勢物種358個樣品的遺傳分析，率先揭示了全球海馬遺傳結(jié)構(gòu)及其多樣性特征（圖2）。基于物種樹和分歧時間的時空擴散模型顯示，海馬在約20-25百萬年前起源于印-澳群島；本研究首次發(fā)現(xiàn)并提出了印-太海馬類群在不同時間、不同路徑兩次進(jìn)入大西洋的新見解，同時研究發(fā)現(xiàn)部分海馬穿越南大西洋和中美地峽，進(jìn)入東太平洋，證明當(dāng)前部分東太平洋生物類群也是從印-澳群島起源，由經(jīng)印度洋、大西洋而來，而非直接跨域太平洋（圖3）。
此外，本研究同步闡明了印-太交匯區(qū)海馬多樣性中心的形成機制。一方面，海馬在印-澳群島起源后，在印太交匯區(qū)分化產(chǎn)生了大量海馬新種；另一方面，在海馬全球擴散過程中，古特提斯海關(guān)閉導(dǎo)致大量新的海馬種迅速出現(xiàn)，部分海馬向印-太交匯區(qū)發(fā)生反向擴散，從而加速了印太交匯區(qū)域的多樣性形成（圖3）。
海馬在全球擴散過程中，部分物種出現(xiàn)了顯著的性狀分化。體表棘刺是海馬重要的防御性狀，研究團(tuán)隊篩選到調(diào)控該表型的候選基因bmp3，發(fā)現(xiàn)刺狀海馬在bmp3不同堿基位點發(fā)生突變，且該基因在海馬棘刺部位顯著高表達(dá)，基于CRISPR-Cas9系統(tǒng)敲除該基因，導(dǎo)致斑馬魚鱗片異常發(fā)生和發(fā)育。據(jù)此認(rèn)為，海馬bmp3基因可能調(diào)控了棘刺性狀的獨立進(jìn)化（圖4）。
綜上所述，該項研究以全球優(yōu)勢海馬類群為研究對象，首次闡明其起源中心及在全球?qū)用娴臄U散模式與時空路徑特征，并揭示了海馬種化過程中的性狀演化機制。該項研究為全球海洋生物的擴散及其多樣性演化研究提供了重要的研究范式，為探索大洋生物資源從印-太海域向大西洋遷移與演化規(guī)律等研究提供了科學(xué)理論支撐。
南海海洋所李春燕副研究員、秦耿副研究員和北京基因組所侯婭麗副研究員等為本文共同第一作者。南海海洋所林強研究員和昆明動物所呂雪梅研究員等為本文共同通訊作者。研究工作得到了中國科學(xué)院基礎(chǔ)前沿計劃從0到1原始創(chuàng)新項目、國家自然科學(xué)基金項目（杰青項目、重大項目）和南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州）重大專項團(tuán)隊項目等的資助。
相關(guān)論文信息： https://www.nature.com/articles/s41467-021-21379-x
圖1. 全球海馬起源與擴散路徑示意圖
圖2. 全球海馬生物地理格局及其遺傳多樣性特征
圖3. 全球優(yōu)勢海馬類群的群體分化及其洋流驅(qū)動下的擴散時空路徑特征
圖4. 海馬棘刺表型獨立進(jìn)化機制及Crispr-cas9體系驗證bmp3基因功能
