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工作動(dòng)態(tài)
從水生到陸生是脊椎動(dòng)物演化史上的一次飛躍，也是脊椎動(dòng)物演化中最重要的科學(xué)問題之一。脊椎動(dòng)物登陸事件發(fā)生于有頜類的硬骨魚類。現(xiàn)生硬骨魚類包含肉鰭魚類和輻鰭魚類。這兩個(gè)類群中物種數(shù)量最為繁盛的是肉鰭魚類中的四足動(dòng)物（成功登陸的脊椎動(dòng)物類群）以及輻鰭魚類中的真骨魚類。相對(duì)于這兩個(gè)最為繁盛的類群，硬骨魚類的基部類群物種數(shù)量相對(duì)稀少，但卻隱藏著祖先演化所遺留的痕跡，有“活化石”之稱。
2月5日凌晨，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物Cell在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)外合作者完成的兩篇研究論文“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”（圖1）和“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”（圖2）。這兩項(xiàng)姊妹篇研究分別解析了輻鰭魚類基部的多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔、以及現(xiàn)生肉鰭魚類中與四足動(dòng)物親緣關(guān)系最近的非洲肺魚共5個(gè)物種的基因組。兩篇文章通過交叉整合基因組學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、魚類學(xué)、古生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科手段，分別從不同角度揭示了脊椎動(dòng)物水生到陸生的轉(zhuǎn)變之謎。
圖1 基部輻鰭魚類基因組
圖2 肺魚基因組
第一項(xiàng)工作圍繞基部輻鰭魚類的基因組開展分析，研究陸生脊椎動(dòng)物功能在更早期魚類里的演化歷史。陸生脊椎動(dòng)物起源過程中伴隨著兩個(gè)重大適應(yīng)性功能形態(tài)演化事件——魚鰭演化為四肢及鰓式呼吸演化為肺式呼吸。研究發(fā)現(xiàn)調(diào)控四肢運(yùn)動(dòng)靈活性的基因功能元件在軟骨魚中已經(jīng)出現(xiàn)，這些元件在真骨魚中卻特化丟失，但在現(xiàn)生基部輻鰭魚和肉鰭魚中保留下來，最終為四足動(dòng)物的四肢演化提供了重要遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)。而肺的功能形態(tài)和遺傳基礎(chǔ)的起源也同樣可以追溯到所有硬骨魚共同祖先，這一時(shí)期的‘原肺’在多鰭魚和肉鰭魚類中繼續(xù)演化成更為成熟的肺，而在大部分其他硬骨魚中特化成魚鰾。此外，陸生脊椎動(dòng)物的出現(xiàn)也伴隨著心肺系統(tǒng)從單循環(huán)到雙循環(huán)的協(xié)同演化過程。在雙循環(huán)系統(tǒng)演化中起到重要調(diào)節(jié)功能的基因元件也能從多鰭魚甚至更遠(yuǎn)古的軟骨魚中找到，說明許多古老的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)為脊椎動(dòng)物水生到陸生的演化提供了重要的遺傳和功能創(chuàng)新基礎(chǔ)（圖3）。
第二項(xiàng)工作解析了肺魚的全基因組序列，其高達(dá)400多億對(duì)堿基（40 Gb）的基因組，是人類（3Gb）的十多倍，為迄今人類所測(cè)序的最大的基因組序列。為了高質(zhì)量解析這一高度復(fù)雜的巨大基因組，項(xiàng)目組開發(fā)催生了兩個(gè)應(yīng)用于三代測(cè)序組裝基因組的軟件NextDenovo和wtbg.2.0，正在成為基因組學(xué)研究領(lǐng)域的通用軟件，再次提升了我國(guó)在基因組學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)影響力。對(duì)該基因組的分析發(fā)現(xiàn)，肺魚超大基因組主要由其自身進(jìn)化過程中LTR類轉(zhuǎn)座子的大量擴(kuò)增積累導(dǎo)致。肺魚擁有5000多個(gè)超過1Mb的長(zhǎng)基因，而人類只有91個(gè)。肺魚最長(zhǎng)基因長(zhǎng)達(dá)18Mb，人類最長(zhǎng)基因?yàn)?/span>2.8Mb。然而肺魚的這些超長(zhǎng)基因表達(dá)水平與短基因和其他物種的同源基因相似，提示肺魚進(jìn)化出了高效轉(zhuǎn)錄這些超長(zhǎng)基因的機(jī)制。結(jié)合組學(xué)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，脊椎動(dòng)物從水生到陸生的演化經(jīng)歷了三步重要的遺傳創(chuàng)新過程。空氣呼吸能力和空氣嗅覺的分子基礎(chǔ)在硬骨魚類共同祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，而真骨魚則丟失了這一特性，屬于更為特化的類群。隨后，肉鰭魚的祖先中出現(xiàn)了更多呼吸相關(guān)基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進(jìn)一步加強(qiáng)。最終，四足動(dòng)物進(jìn)化出了更多基因和功能元件，從而具備了完備的空氣呼吸能力，成功擺脫水的桎梏。與四肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)的功能也呈現(xiàn)漸進(jìn)式創(chuàng)新的特點(diǎn)，四足動(dòng)物的肱骨與基部輻鰭魚的后鰭基骨為同源器官，橈骨則可能從肺魚和四足動(dòng)物祖先開始起源，五指則從四足動(dòng)物開始起源。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了大腦、心臟等多個(gè)器官在登陸過程中的遺傳變異基礎(chǔ)（圖3）。
圖3 基于基部輻鰭魚和肺魚比較基因組學(xué)研究闡明的脊椎動(dòng)物水生到陸生的關(guān)鍵遺傳創(chuàng)新
水生所何舜平研究員為這兩篇論文的共同通訊作者，楊連東副研究員為這兩篇論文的共同第一作者，姜海峰博士為第一篇論文的共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所為第一篇論文的第一完成單位。項(xiàng)目聯(lián)合了西北工業(yè)大學(xué)、哥本哈根大學(xué)、華大基因研究院、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所、中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所、武漢希望組生物科技有限公司等國(guó)內(nèi)外多家單位協(xié)作完成。
第一項(xiàng)工作論文鏈接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00089-1
第二項(xiàng)工作論文鏈接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8