近日，中國科學院南海海洋研究所林強研究員團隊聯合德國康斯坦茨大學等機構在海龍科魚類“雄性懷孕”的適應進化與分子調控機制取得突破性進展，相關研究成果以 “Cellular and molecular mechanisms of male pregnancy in seahorses” 為題發表于國際著名期刊Nature Ecology & Evolution。中國科學院南海海洋研究所副研究員劉雅莉和博士后姜韓等為本文的共同第一作者，南海海洋所研究員林強和康斯坦茨大學教授Axel Meyer等為共同通訊作者。

在生命起源與多樣性演化歷程中，繁育后代在傳統上一直被定義為雌性個體的生命本職。然而，海龍科物種（Syngnathidae）卻打破了這一生物演化的常規，成為脊椎動物中唯一具有“雄性懷孕”繁殖策略的類群；其雄性個體通過特有的育兒袋（brood pouch）器官為胚胎提供氧氣和營養輸送、免疫防護及滲透壓調節等功能（Lin et al.,Nature,2016）（圖1）。同時，研究團隊前期研究表明海龍科育兒袋在結構與功能上與哺乳動物子宮表現出明顯的趨同進化特征（Zhang et al.,National Science Review,2021;Liu et al.,Nature Communications,2022）；且海龍科物種的育兒袋在進化過程中出現了多種形式，如開放、半開放和封閉等模式（Qu et al.,Science Advances,2021）。然而，該類群作為自然界獨一無二的“孕父”，其以何種方式在截然不同的生命演化譜系中“重現”了胎盤功能？而脊椎動物由“卵生”到“胎生”的自然選擇規律如何？又是何種分子信號主導了這場獨特的繁殖演化進程？這一系列疑問一直是長期以來學界關注的焦點問題。

圖1?正在分娩的雄性海馬（Hippocampus spp.）（拍攝者：張競功）

為了深入探究海龍科物種育兒袋發生及其懷孕過程的遺傳與細胞學調控機制，研究團隊以海馬和海龍為研究材料，通過整合單細胞RNA測序（scRNA-seq）、單細胞染色質可及性測序（scATAC-seq）及空間轉錄組等多組學手段，繪制了海馬育兒袋7個發育時期的細胞學動態變化圖譜，發現了一類具有干細胞潛能的“育兒袋上皮祖細胞（BEPCs）”。這些細胞在發育過程中與膠原蛋白基因協同表達，并受雄激素信號強烈調控。同步，該研究通過動態網絡生物標志物分析及在體實驗，證實雄激素處理的雌性海馬可發育出雄性特有的育兒袋。據此，本研究首次提出了雄激素受體及其調控的育兒袋上皮祖細胞是激活育兒袋器官形成的關鍵開關（圖2）。

圖2?雄激素誘導海馬育兒袋發生的細胞及遺傳調控機制

研究進一步發現，為順利實現“雄性懷孕”，海馬育兒袋內皮層在妊娠初期會顯著增厚，形成類似哺乳動物胎盤的“胎盤”結構，能夠為胚胎輸送氧氣、營養物質并進行滲透壓調節。本研究首次發現海馬懷孕過程中出現了一類特殊的細胞群體—類滋養層細胞（trophoblast-like cells），其基因表達及功能特性與哺乳動物胎盤滋養層細胞高度相似，闡明其在細胞層面與胎生哺乳動物子宮的趨同演化。研究還發現海馬特異進化出的 sp-chia 與 pastn 基因在類胎盤形成中起關鍵調控作用。此外，本研究首次提出海馬存在一種全新的“非foxp3基因依賴性”的免疫耐受繁殖策略，揭示了“雄性懷孕”背后的獨特免疫調控機制（圖3）。

圖3?海馬育兒袋類滋養層細胞和新基因共同驅動胎盤的形成

本研究基于跨物種比較基因組學及單細胞多組學聯合分析，系統揭示了海龍科多物種的育兒袋演化軌跡，明確了海馬育兒袋與哺乳動物子宮在遺傳與細胞層面的同源性。研究發現，其演化起點可能源于一類特化的表皮細胞，該類細胞使粘性卵得以附著于雄性特化皮膚表面并完成受精，并通過進一步招募一類功能同源的細胞群（表達如MHCIIs、mgat3及nucb2等直系同源基因），協同演化出海龍科物種特異的新基因（如pastns與syn-lectins），最終共同驅動了育兒袋結構復雜化和功能多樣性（圖4）。

圖4?跨物種比較揭示“雄性懷孕”的遺傳與細胞學進化規律

綜上，本研究聚焦動物界中從卵生到胎生這一關鍵繁殖策略的演變過程與規律，從基因組學、遺傳學及細胞生物學層面系統揭示了自然界中“雄性懷孕”獨特性狀形成過程中的演化規律和分子調控機制。相關結果提出了脊椎動物繁殖演化規律的新認知，為深度解析海洋生命多樣化繁殖策略提供了新的理論框架。

上述研究工作由國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目共同資助完成。中國科學院生物化學與細胞生物學研究所陳洛南研究員團隊、南方醫科大學畢恩廣教授團隊、中國科學院昆明動物研究所呂雪梅研究員團隊參與本研究工作。

相關論文信息：Liu YL^#,Jiang H^#,Miao YX^#,Zhao WL^#,Schneider R,Yin LD,Yu XY,Yu HY,Lu XM,Bi EG,Chen LN*,Meyer A*,Lin Q*. Cellular and molecular mechanisms of seahorse male pregnancy. Nature Ecology & Evolution (2025). https://doi.org/10.1038/s41559-025-02883-5

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41559-025-02883-5