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近日，中國科學(xué)院海洋研究所劉進(jìn)賢團(tuán)隊(duì)等揭示了兩類地理分布不同、生態(tài)環(huán)境極端差異的魚類即銀魚和南極冰魚如何在各自演化歷程中獨(dú)立丟失血氧運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵基因，成為脊椎動(dòng)物中罕見的“無紅血”物種代表。

銀魚，又稱面條魚、亞洲冰魚，廣泛分布于東亞的近海、半咸水及淡水環(huán)境中。銀魚性成熟個(gè)體保留幼體特征，被認(rèn)為具有幼態(tài)持續(xù)現(xiàn)象。除兩種銀魚成熟的雄性繁殖個(gè)體外，其他成年銀魚不具有紅肌及紅血，提示其缺失肌紅蛋白和血紅蛋白。這兩類蛋白質(zhì)在多數(shù)脊椎動(dòng)物中負(fù)責(zé)氧氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸。銀魚的特殊表型盡管在其上百年的研究歷史中被描述，但背后的遺傳和生理機(jī)制卻未得到解釋。

該團(tuán)隊(duì)通過高質(zhì)量基因組測序與比較基因組學(xué)分析，揭示了銀魚科內(nèi)部物種分化前便完全丟失肌紅蛋白基因。作為具有重要生理功能的基因和蛋白，該丟失在脊椎動(dòng)物中罕見。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的插入突變是基因丟失的主要分子機(jī)制，而非自然選擇作用。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，血氧運(yùn)輸系統(tǒng)中的核心基因血紅蛋白基因在不同銀魚物種中經(jīng)歷了不同程度的獨(dú)立退化，且這一過程發(fā)生在肌紅蛋白基因丟失后。由于血紅蛋白的不表達(dá)導(dǎo)致選擇壓力放松，因此銀魚血氧運(yùn)輸系統(tǒng)中其他相關(guān)基因發(fā)生了不同程度的獨(dú)立退化。

研究表明，銀魚血氧運(yùn)輸相關(guān)基因的丟失和退化與其歷史偶然性和幼態(tài)持續(xù)特征相關(guān)。轉(zhuǎn)座介導(dǎo)的銀魚共同祖先肌紅蛋白基因的丟失可能是關(guān)鍵的偶然事件，其對(duì)生理演化形成了一定約束，卻促進(jìn)了幼態(tài)持續(xù)特征的演化。幼態(tài)持續(xù)賦予銀魚細(xì)長的身體結(jié)構(gòu)、小體型、軟骨、無鱗和高透氣性皮膚等特征，使其在缺乏傳統(tǒng)血氧運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵蛋白的情況下仍可以生存并繁衍。相比之下，同為無紅血代表的南極冰魚經(jīng)歷了不同的演化路徑。其共同祖先經(jīng)歷血紅蛋白基因的幾乎完全丟失，隨后其肌紅蛋白基因也獨(dú)立演化退化。在選擇壓力放松的環(huán)境下，兩個(gè)魚類類群都積累了一系列隨機(jī)的、導(dǎo)致基因功能喪失的突變，尤其是血氧運(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)基因。盡管銀魚與南極冰魚在自然選擇作用下各自演化出一些可增強(qiáng)心血管功能的遺傳變化，以部分補(bǔ)償氧氣運(yùn)輸與儲(chǔ)存效率下降，但兩者在相關(guān)基因上的重疊較少，顯示出演化的獨(dú)立性。但是，它們在分子機(jī)制上存在一致性，均共享轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的突變作為血氧運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵基因退化的主要驅(qū)動(dòng)力。

上述研究印證了隨機(jī)演化理論，即不可推測的偶然事件對(duì)生物的演化歷程同樣重要，為基因丟失等歷史偶然因素在物種多樣化形成中的作用提供了直接證據(jù)，豐富了科研人員對(duì)脊椎動(dòng)物演化理論的認(rèn)識(shí)。

相關(guān)研究成果作為封面文章，發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》（Current Biology）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。該工作由海洋所和美國東北大學(xué)合作完成。

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當(dāng)期封面