【中國科學(xué)報(bào)】海中“牛排”月亮魚為何恒溫
恒溫的月亮魚。林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)供圖
月亮魚肉色通紅，享有海中“牛排”的美譽(yù)，被饕客們奉為珍饈。它還是目前已知的唯一“全身恒溫”的魚類物種。
近日，中科院南海海洋研究所研究員林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院教授王大志團(tuán)隊(duì)、德國康斯坦茨大學(xué)教授Axel Meyer等，揭示了海洋魚類的恒溫演化與環(huán)境適應(yīng)機(jī)制。相關(guān)研究成果以Report形式在線發(fā)表于《創(chuàng)新》（The Innovation）。
改寫教科書的“暖魚”
穩(wěn)定的體溫是恒溫動(dòng)物適應(yīng)復(fù)雜多變環(huán)境的重要生理基礎(chǔ)。恒溫動(dòng)物可以利用自身代謝調(diào)節(jié)體溫、維持體溫穩(wěn)定，進(jìn)而拓展生存空間。長期以來，恒溫曾被認(rèn)為是哺乳類和鳥類所特有。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)恒溫在其他脊椎動(dòng)物譜系中同樣存在，僅在魚類中就至少獨(dú)立演化了六次。
月亮魚因其體形側(cè)扁、形似圓月而得名，最大體長可達(dá)2米，重量可達(dá)140千克，視覺敏銳，通常在50~300米水深活動(dòng)，是全球性分布的大型魚類。不同于其他只在身體核心部位或眼部周圍升溫的“局部恒溫”魚類，月亮魚是目前已知的唯一“全身恒溫”的魚類物種，改寫了魚類都是變溫動(dòng)物的傳統(tǒng)認(rèn)知。
“月亮魚的體溫可以比周圍海水溫度高約5℃。”論文共同第一作者、中科院南海海洋研究所助理研究員王信對《中國科學(xué)報(bào)》表示，月亮魚是研究恒溫早期起源與演化的理想對象，同時(shí)也是展現(xiàn)不同恒溫物種趨同演化的絕佳案例。
月亮魚通過不斷拍打胸鰭、利用肌肉收縮大量產(chǎn)熱，同時(shí)其鰓部一個(gè)逆流熱交換的血管網(wǎng)絡(luò)可減緩血液流經(jīng)時(shí)的熱量散失。“正是這種極強(qiáng)的產(chǎn)熱和保溫能力使得月亮魚成為名副其實(shí)的恒溫魚類。”王信說。
“恒溫在脊椎動(dòng)物中的演化歷程為我們進(jìn)一步認(rèn)知?jiǎng)游锏沫h(huán)境適應(yīng)機(jī)制提供了一個(gè)窗口。”林強(qiáng)指出，月亮魚作為海洋環(huán)境中一個(gè)獨(dú)特的恒溫物種，改變了人們對恒溫動(dòng)物的傳統(tǒng)認(rèn)知，其完整的基因組信息也為我們認(rèn)識(shí)恒溫的早期起源與演化提供了重要線索。
揭示月亮魚恒溫的秘密
研究人員組裝了染色體水平的月亮魚基因組，發(fā)現(xiàn)其基因組中的轉(zhuǎn)座元件含量較高，其長末端重復(fù)序列（LTR）的含量在目前已報(bào)道的魚類中是最高的。研究團(tuán)隊(duì)在LTR周圍找到了多個(gè)能量轉(zhuǎn)化、視覺發(fā)育相關(guān)的基因，并富集到如氧轉(zhuǎn)運(yùn)、ATP結(jié)合等關(guān)鍵能量代謝通路。這些功能基因周圍轉(zhuǎn)座元件的頻繁跳躍可能為基因的適應(yīng)進(jìn)化及表達(dá)調(diào)控提供素材。
恒溫在脊椎動(dòng)物中獨(dú)立進(jìn)化多次，是一個(gè)典型的趨同演化性狀。研究人員選擇具有恒溫特征的脊椎動(dòng)物進(jìn)行趨同進(jìn)化分析，篩選到如線粒體鈉鈣交換蛋白、谷氧還蛋白—3等基因在多個(gè)恒溫物種譜系中具有顯著的趨同信號，這些基因在線粒體鈉/鈣離子交換與血紅蛋白成熟方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，血紅素合成、電子傳遞鏈活性等相關(guān)基因在恒溫物種中具有更快的進(jìn)化速率。研究結(jié)果揭示了不同譜系的恒溫脊椎動(dòng)物在進(jìn)化上存在明顯分子趨同特征。
研究還發(fā)現(xiàn)，月亮魚基因組中多個(gè)與肌肉發(fā)育、收縮過程，以及逆流熱交換血管系統(tǒng)形成相關(guān)的基因（如肌鈣蛋白troponin、血管內(nèi)皮調(diào)節(jié)蛋白robo4等）受到顯著的選擇或者發(fā)生特異性擴(kuò)張。此外，與氧化磷酸化、糖代謝等過程相關(guān)的多個(gè)基因也發(fā)生適應(yīng)性變化。這些基因的適應(yīng)性變化可能共同驅(qū)動(dòng)了月亮魚恒溫性狀的發(fā)生與維持。
月亮魚是紅肌體重占比最高的魚類之一，其胸鰭基部發(fā)達(dá)的紅肌是主要產(chǎn)熱組織。魚體多個(gè)部位肌肉組織的轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù)比較分析發(fā)現(xiàn)，氧化磷酸化和產(chǎn)熱相關(guān)基因、蛋白在胸鰭紅肌中高表達(dá)，同樣作為產(chǎn)熱組織，胸鰭紅肌與背部紅肌的基因表達(dá)模式也更相近。
此外，研究還探討了恒溫為月亮魚帶來的諸多生存優(yōu)勢，如以MHC為代表的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的特化以及感官系統(tǒng)的適應(yīng)進(jìn)化。
“我們期待以該研究為起點(diǎn)，在將來參與和見證更多有關(guān)恒溫性狀演化以及生物適應(yīng)進(jìn)化的新進(jìn)展。”林強(qiáng)如是說。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100185
