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珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)蘊(yùn)含極高的生物多樣性，驅(qū)動(dòng)了諸多海洋新生命的出現(xiàn)。在漫長(zhǎng)的演化歷程中，珊瑚礁物種展現(xiàn)出多彩斑斕的體色，并伴隨個(gè)體小型化的規(guī)律。海龍科物種是典型的小型硬骨魚類，主要棲息于珊瑚礁和海草床等生態(tài)系統(tǒng)。近期，科研人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，為提高生存機(jī)會(huì)，部分海龍科物種因棲息珊瑚發(fā)生了完美的擬態(tài)行為。然而，學(xué)界對(duì)這種珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的特異性適應(yīng)機(jī)理尚不明晰。

豆丁海馬（Hippocampus bargibanti）是已知體型最小的硬骨魚類之一，成體全長(zhǎng)僅有1至2厘米，終生專性棲息在柳珊瑚上生存。相較于其他海馬，豆丁海馬沒有育兒袋結(jié)構(gòu)，其胚胎植入雄魚體內(nèi)發(fā)育，繼而進(jìn)化出一類“雄性體內(nèi)懷孕”模式。同時(shí)，為更好融入宿主柳珊瑚環(huán)境，豆丁海馬呈現(xiàn)出獨(dú)特的擬態(tài)特征，即全身覆蓋類似柳珊瑚的瘤狀結(jié)節(jié)，“長(zhǎng)吻”退化，使其與柳珊瑚在視覺上幾乎“融為一體”。但是，柳珊瑚分泌的毒素是自然界中最致命的天然毒素之一，這給豆丁海馬與柳珊瑚的零距離接觸也帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，兩者之間獨(dú)特的附生關(guān)系形成機(jī)制和柳珊瑚驅(qū)動(dòng)豆丁海馬體型演化的調(diào)控機(jī)制一直是學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所研究員林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)在海龍科魚類對(duì)珊瑚共棲的適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制研究方面取得進(jìn)展，并首次提出了珊瑚能驅(qū)動(dòng)其共棲物種小型化的新觀點(diǎn)。研究人員對(duì)豆丁海馬展開了多組學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)解析發(fā)現(xiàn)，豆丁海馬基因組中丟失了大量與體型大小和頜面骨骼發(fā)育相關(guān)的保守非編碼區(qū)（CNE）。研究人員結(jié)合RNA-seq、ATAC-seq等數(shù)據(jù)的比較研究發(fā)現(xiàn)，這些丟失的CNE可通過調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)模式影響頜面骨骼生長(zhǎng)發(fā)育過程，且hoxa2b基因發(fā)生了假基因化，即失去功能。進(jìn)一步，研究人員基于CRISPR基因編輯實(shí)驗(yàn)證實(shí)，敲除hoxa2b基因會(huì)導(dǎo)致魚類頜面骨骼發(fā)育畸形。因此，研究提出，CNE丟失和關(guān)鍵基因功能突變是驅(qū)動(dòng)豆丁海馬體型極度小型化和短吻表型的關(guān)鍵遺傳因素。

同時(shí)，在豆丁海馬棲息柳珊瑚過程中，珊瑚分泌物對(duì)其生存是一把“雙刃劍”。一方面，豆丁海馬的神經(jīng)傳導(dǎo)和離子通道相關(guān)基因發(fā)生了快速進(jìn)化，這表明它們可能衍生出比珊瑚毒素更強(qiáng)的耐受或抵抗能力；另一方面，豆丁海馬能夠利用宿主珊瑚分泌物的免疫保護(hù)功能來抵御外源病原體，這可能與豆丁海馬大量丟失其免疫相關(guān)基因有協(xié)同演化關(guān)系。因此，研究認(rèn)為，這種“免疫精簡(jiǎn)”策略可降低其能量消耗，并有助于其形成“雄性體內(nèi)懷孕”模式，有效避免了在胚胎著床過程中的免疫排斥反應(yīng)。這種高度依賴宿主并通過主動(dòng)“精簡(jiǎn)”自身基因組來獲取生存優(yōu)勢(shì)的過程，恰好符合生物學(xué)中“黑皇后假說”（Black Queen Hypothesis）的典型例證，即舍棄某些“昂貴”的功能，依賴“伙伴”提供。

相關(guān)研究成果以Symbiosis with and mimicry of corals were facilitated by immune gene loss and body remodeling in the pygmy seahorse為題，發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部等的支持。

論文鏈接

豆丁海馬CNE丟失與hoxa2b基因的功能突變是驅(qū)動(dòng)體型小型化和短吻表型的關(guān)鍵調(diào)控因素

豆丁海馬對(duì)柳珊瑚適應(yīng)的進(jìn)化與遺傳調(diào)控機(jī)制