北京時間2021年4月19日晚23時，我國科研工作者在國際著名期刊Nature Genetics在線發(fā)表題為“Large-scale sequencing of flatfish genomes provides insights into the polyphyletic origin of their specialized body plan”的研究論文。
該研究成功解析了8個鰈形目物種和2個鱸形目（用于幫助推斷物種演化關(guān)系）物種的基因組序列。結(jié)合已有的公共數(shù)據(jù)，研究人員成功確定了鰈形目中的鰈亞目和鰜亞目物種分別于76.1和80.0個百萬年前的白堊紀晚期，通過兩次獨立的進化事件由不同的鱸形目魚類祖先演變而來的進化歷史（圖1）。
浙江海洋大學(xué)的呂振明教授、龔理副研究員、陳永久副教授、劉立芹副教授以及西北工業(yè)大學(xué)任彥棟博士、博士生王忠凱、黎浩榕為本文的共同第一作者，西北工業(yè)大學(xué)王文教授團隊的李永鑫博士為本文的通訊作者，中國科學(xué)院南海海洋研究所的孔曉瑜研究員與王文教授為本文的共同通訊作者；中國科學(xué)院昆明動物研究所的毛炳宇研究員和中國科學(xué)院水生生物研究所何舜平研究員及其團隊成員也參與了本項研究。
鰈形目魚類（通常稱作比目魚）是迄今發(fā)現(xiàn)的地球上體型最為獨特的硬骨魚類之一。在漫長的底棲適應(yīng)過程中，鰈形目魚類逐步演化出了扁平且不對稱的體型結(jié)構(gòu)，以更好的適應(yīng)底棲生活。然而，關(guān)于鰈形目魚類的起源問題（單系/非單系起源）領(lǐng)域內(nèi)爭論了數(shù)十年仍未得到解決。此外，鰈形目魚類是通過何種機制逐步演化出如此獨特的體型結(jié)構(gòu)（扁平和不對稱）的一直不清楚。
對于該問題的回答最早可追溯到達爾文時期，但在隨后的100多年里該問題仍未得到充分闡明。部分關(guān)鍵體征（如不對稱眼睛）從傳統(tǒng)的進化論角度很難解釋，以致于在歷史上常常被進化論批評者作為反駁達爾文“自然選擇學(xué)說”的強有利基石。在此背景下，全面闡明鰈形目魚類的起源及其獨特體型的形成機制具有重要的意義。
圖1：鰈形目魚類的非單系起源。紅色背景表示鰈亞目物種，紫色背景表示鰜亞目物種。
研究人員發(fā)現(xiàn)，鰈形目魚類基因組中與肌營養(yǎng)不良糖蛋白復(fù)合體 (Dystrophin-associated Glycoprotein Complex）和脂肪代謝相關(guān)的一些基因發(fā)生了明顯改變。而之前在人和斑馬魚的多項研究中表明，該復(fù)合體相關(guān)基因的突變往往會造成其肌肉嚴重萎縮或肌纖維發(fā)育不良，暗示這些基因的改變可能在鰈形目魚類體壁肌肉及體軸扁平化形成過程中起著重要作用。
此外，研究人員對脂肪基因的實驗分析確定了鰈形目魚類獨特的脂肪相關(guān)基因加快了其體內(nèi)脂肪的氧化分解而減少了脂肪的積聚量，這進一步解釋了鰈形目魚類擁有的低脂肪含量和扁平體型結(jié)構(gòu)的原因（圖2）。這一扁平的體型結(jié)構(gòu)使鰈形目魚類能更容易將其側(cè)扁的身體埋棲于一薄層泥沙之下（僅使眼睛露出），從而達到隱藏和逃避敵害的目的。這是鰈形目魚類扁平體型形成機制的首次報道，同時也揭示了“flat-fish”（比目魚）為什么“flat”（扁平）的基因組奧秘。
圖2：鰈形目魚類扁平體型及其可能的形成機制。a：鰈形目魚類具有扁平的體型結(jié)構(gòu)；b：鰈形目魚類扁平體型可能的形成機制。
除了扁平的體型結(jié)構(gòu)，體軸的不對稱發(fā)育更是鰈形目魚類最引人關(guān)注的體型特征。這集中體現(xiàn)在鰈形目魚類在其胚后的變態(tài)發(fā)育過程中，其一側(cè)眼睛會逐步偏轉(zhuǎn)遷移到身體的另一側(cè)而最終展現(xiàn)出雙眼位于身體同側(cè)的表型。同時，其顱骨、肌肉厚度、皮膚色素等在這一變態(tài)過程中也逐步呈現(xiàn)出明顯的左右不對稱發(fā)育。
此前中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所的科學(xué)家2017年在Nature Genetics上發(fā)表的論文已經(jīng)發(fā)現(xiàn)RA可能與體軸不對稱有關(guān)。本研究經(jīng)過進一步系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，鰈形目魚類基因組中與體軸發(fā)育相關(guān)的視黃酸（RA）通路和WNT通路的一些基因發(fā)生了明顯的改變。而在斑馬魚等動物的研究中已發(fā)現(xiàn)，這些基因的突變往往會造成顱面組織及身體發(fā)育的不對稱，暗示這兩個信號通路在比目魚不對稱體型結(jié)構(gòu)的形成中同樣具有重要的作用。
通過進一步對比分析鰈形目魚類在其變態(tài)過程中身體左-右兩側(cè)的表達譜發(fā)現(xiàn)，這兩個通路中的一些核心基因確實出現(xiàn)了左右兩側(cè)的不對稱表達，這也就說明了鰈形目不對稱體軸發(fā)育形成的可能的遺傳基礎(chǔ)（圖3）。
圖3：鰈形目魚類不對稱體型及可能的形成機制。a：牙鲆（鰈形目魚類的一種）不對稱體型的發(fā)育過程；
b：鰈形目魚類不對稱體型可能的形成機制。
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，為了更好地適應(yīng)底棲生活，鰈形目魚類中與視覺、免疫響應(yīng)、低氧應(yīng)答和心血管發(fā)育等相關(guān)的一些基因發(fā)生了改變。其中，視覺和免疫相關(guān)基因的改變可能與底棲環(huán)境中較弱的光線和較多的病原微生物有關(guān)；低氧應(yīng)答相關(guān)基因的改變暗示鰈形目魚類可能是通過低氧耐受來適應(yīng)底棲生境稀薄的氧氣環(huán)境；而鰈形目魚類獨特的捕食方式（長時間趴在海底遇到獵物猛烈起身攻擊）可能是其心血管系統(tǒng)發(fā)生改變的重要原因。
通過該項研究，研究人員不僅基本闡明了困擾科學(xué)家多年的鰈形目魚類起源及其獨特體型形成機制等問題，同時也大大深化了人類對現(xiàn)今動物界中占主導(dǎo)的左右對稱體軸的形成、維持和變異機制的理解，也為揭示人類相關(guān)疾病如肌肉萎縮癥和顱面畸形等疾病的致病機理提供了參考。
浙江海洋大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院南海海洋研究所、中國科學(xué)院昆明動物研究所、中國科學(xué)院水生生物研究所為本文的共同屬名單位，該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目和“遺傳資源與進化”國家重點實驗室開放課題等項目的支持。
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