《Science Advances》封面論文報道南海所研究團隊海龍科魚類適應(yīng)與進化創(chuàng)新成果
近日，由中科院南海海洋研究所中科院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室（LMB）研究員林強團隊主導(dǎo)，新加坡國家科技局、德國康斯坦茨大學(xué)等團隊合作完成的研究進展以封面Article論文形式刊發(fā)于國際著名期刊Science Advances（圖1）。該研究揭示了草海龍附葉等性狀進化的基因調(diào)控特征，證實了scpp5的假基因化是海龍科魚類牙齒丟失的關(guān)鍵因素，并首次創(chuàng)新性報道了海龍科物種性別決定基因（amhr2y）及其演化機制，為探索海洋動物的適應(yīng)性進化機制開拓了新視角。
海龍科魚類因“雄性育兒”繁殖策略及其特異體型被視為海洋生物進化和物種保護研究的旗艦類群。在該類群中，草海龍是體型最為獨特的物種之一，其體表生長有許多葉狀附屬物（也稱作“附葉”），可似海草般隨水流搖曳，使草海龍以完美擬態(tài)隱匿于海草床中（圖2）；與其他海龍科物種一樣，草海龍沒有牙齒（咽齒）。海龍科物種雄性懷胎“繁殖逆反行為”一直是學(xué)術(shù)界之謎，其中，諸多物種具有“性角色逆轉(zhuǎn)”特征；然而，目前尚未有關(guān)于海龍科魚類性別決定機制研究的任何報道。對于海龍科魚類性別決定研究，可為進一步探索魚類性染色體進化和性別決定基因更替提供重要的理論基礎(chǔ)。
物種特異性狀的發(fā)生，是對生存環(huán)境適應(yīng)性進化的重要響應(yīng)。近期，研究團隊在開展全球海馬多樣性形成機理研究的過程中，闡明了海馬“刺狀”特征是對珊瑚礁適應(yīng)進化的重要模式（Nature Communications, 2021）。在此基礎(chǔ)上，團隊圍繞草海龍附葉這一性狀，通過比較基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)其表達基因主要從皮膚和鰭等器官募集而來，暗示了相關(guān)基因?qū)π缕鞴佼a(chǎn)生和維持的重要作用。然而與鰭相比，附葉缺乏“肢”發(fā)育關(guān)鍵Hox等基因，而許多參與免疫反應(yīng)和組織修復(fù)的基因表達增高，同時，草海龍?zhí)禺愋詳U張的MHC I基因也在附葉中顯著高表達，表明附葉具有重要的免疫和再生作用，對草海龍成功適應(yīng)海草床生態(tài)系統(tǒng)有著重要的進化意義（圖3）。
草海龍與其他海龍科物種一樣具有缺乏牙齒的管狀吻。團隊早期研究表明，海龍科物種中參與骨骼、牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)等的形成的分泌型鈣結(jié)合磷蛋白（SCPP）家族丟失大量基因（Nature,2016）。其中，scpp5在麗魚中被報道在咽喉齒中表達，但在海龍科中則因假基因化喪失功能。在本研究中，基于CRISPR/Cas9對斑馬魚進行基因編輯驗證，發(fā)現(xiàn)scpp5-/-突變體咽喉齒數(shù)量顯著減少且發(fā)生嚴(yán)重畸形，表明海龍科scpp5的假基因化可能是造成其牙齒丟失的關(guān)鍵因素（圖4）。
圍繞海龍科魚類性別決定特征，本研究對雌、雄草海龍及其近緣種綠海龍進行了全基因組比較分析，創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)草海龍和綠海龍的性別決定基因均為amhr2的雄性特異性拷貝amhr2y，但兩者的基因座卻不相同；進一步研究表明，草海龍和綠海龍的amhr2y在兩者的共同祖先就已產(chǎn)生，但在綠海龍中與B-cadherin-like發(fā)生過基因融合事件（圖5）。同時，與amhr2相比amhr2y受到更為強烈的選擇壓力，并且與黃金鱸的性別決定基因在進化歷程、基因結(jié)構(gòu)及特異位點均展現(xiàn)出趨同進化特征。
綜上所述，通過對草海龍和綠海龍全基因組測序和分析，研究團隊揭示了關(guān)于草海龍復(fù)雜性狀產(chǎn)生和丟失的演化機制，率先報道了海龍科物種性別決定基因的產(chǎn)生和演化歷程，相關(guān)研究成果對海洋魚類的環(huán)境適應(yīng)性進化研究提供了新的視角。
研究團隊曲朦助理研究員、劉雅莉助理研究員、張艷紅副研究員、萬世明助理研究員和秦耿副研究員等為共同第一作者，林強研究員、Byrappa Venkatesh教授和Axel Meyer教授為共同通訊作者。該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、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)B專項、國家自然科學(xué)基金杰青項目、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州）重大專項團隊項目等資助。
相關(guān)論文信息：Seadragon genome analysis provides insights into its phenotype and sex-determination locus. Science Advances, 18 Aug. 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abg5196.
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabg5196
圖1. 本研究以封面Article論文形式刊發(fā)于國際著名期刊Science Advances
圖2. （A）草海龍與（B）綠海龍形態(tài)學(xué)特征及（C）系統(tǒng)進化關(guān)系
圖3. 草海龍附葉形態(tài)及關(guān)鍵基因表達特征。（A）草海龍附葉結(jié)構(gòu)示意圖及橫截面組織學(xué)結(jié)構(gòu)，（B）基因募集分析
圖4. 野生型和scpp5-/-突變體斑馬魚的咽喉齒形態(tài)比較分析。（A）斑馬魚咽喉齒位于第五對鰓弓；（B）草海龍第五對鰓弓缺少咽喉齒；（C-J）野生型（D-E）和scpp5-/-突變體（G-I）斑馬魚的咽喉齒形態(tài)對比；（F，J）模式示意圖。
圖5. 草海龍和綠海龍性別決定基因進化及其形成。（A）性別決定區(qū)域和性別決定候選基因；（B）amhr2y和amhr2基因在脊椎動物中的系統(tǒng)進化樹；（C）綠海龍amhr2y基因形成示意圖。
