近日，由中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室（LMB）研究員林強團隊主導，聯合新加坡國家科技局、德國康斯坦茨大學等完成的研究成果，以封面Article論文的形式，發表在Science Advances上。該研究揭示了草海龍附葉等性狀進化的基因調控特征，證實了scpp5的假基因化是海龍科魚類牙齒丟失的關鍵因素，首次創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。該類群中，草海龍是體型最獨特的物種之一，體表生長有許多葉狀附屬物（又稱“附葉”），可似海草般隨水流搖曳，使草海龍以完美擬態隱匿于海草床中（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”是學界之謎，其中，諸多物種具有“性角色逆轉”特征；然而，目前尚未有關于海龍科魚類性別決定機制研究的報道。關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。
物種特異性狀的發生，是對生存環境適應性進化的重要響應。近日，研究團隊在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進化的重要模式（Nature Communications，2021）。在此基礎上，團隊圍繞草海龍附葉這一性狀，比較基因組和轉錄組學分析發現，其表達基因主要從皮膚和鰭等器官募集而來，暗示了相關基因對新器官產生和維持的重要作用。而與鰭相比，附葉缺乏“肢”發育關鍵Hox等基因，而較多參與免疫反應和組織修復的基因表達增高，同時草海龍特異性擴張的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，對草海龍適應海草床生態系統有重要的進化意義（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?？蒲袌F隊此前的研究表明，海龍科物種中參與骨骼、牙釉質和牙本質等的形成的分泌型鈣結合磷蛋白（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。本研究中，基于CRISPR/Cas9對斑馬魚進行基因編輯驗證，發現scpp5-/-突變體咽喉齒數量顯著減少且發生嚴重畸形，表明海龍科scpp5的假基因化可能是造成其牙齒丟失的關鍵因素（圖4）。
圍繞海龍科魚類性別決定特征，該研究對雌、雄草海龍及其近緣種綠海龍開展了全基因組比較分析，創新性發現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生，但在綠海龍中與B-cadherin-like發生過基因融合事件（圖5）。同時，與amhr2相比，amhr2y受到更強烈的選擇壓力，且與黃金鱸的性別決定基因在進化歷程、基因結構及特異位點均展現出趨同進化特征。
綜上，研究對草海龍和綠海龍全基因組開展測序和分析，揭示了關于草海龍復雜性狀產生和丟失的演化機制，報道了海龍科物種性別決定基因的產生和演化歷程，相關成果為海洋魚類的環境適應性進化研究提供了新視角。
研究工作得到中科院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）重大專項團隊項目等的資助。
圖1.該研究以封面Article論文形式在Science Advances上
圖2.（A）草海龍與（B）綠海龍形態學特征及（C）系統進化關系
圖3.草海龍附葉形態及關鍵基因表達特征。（A）草海龍附葉結構示意圖及橫截面組織學結構，（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進化樹；（C）綠海龍amhr2y基因形成示意圖
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