《Science Advances》封面论文报道海龙科鱼类适应与进化创新成果

  近日，由中科院南海海洋研究所中科院热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）研究员林强团队主导，新加坡国家科技局、德国康斯坦茨大学等团队合作完成的研究进展以封面Article论文形式刊发于国际著名期刊Science Advances（图1）。该研究揭示了草海龙附叶等性状进化的基因调控特征，证实了scpp5的假基因化是海龙科鱼类牙齿丢失的关键因素，并首次创新性报道了海龙科物种性别决定基因（amhr2y）及其演化机制，为探索海洋动物的适应性进化机制开拓了新视角。   

　　海龙科鱼类因“雄性育儿”繁殖策略及其特异体型被视为海洋生物进化和物种保护研究的旗舰类群。在该类群中，草海龙是体型最为独特的物种之一，其体表生长有许多叶状附属物（也称作“附叶”），可似海草般随水流摇曳，使草海龙以完美拟态隐匿于海草床中（图2）；与其他海龙科物种一样，草海龙没有牙齿（咽齿）。海龙科物种雄性怀胎“繁殖逆反行为”一直是学术界之谜，其中，诸多物种具有“性角色逆转”特征；然而，目前尚未有关于海龙科鱼类性别决定机制研究的任何报道。对于海龙科鱼类性别决定研究，可为进一步探索鱼类性染色体进化和性别决定基因更替提供重要的理论基础。 

　　物种特异性状的发生，是对生存环境适应性进化的重要响应。近期，研究团队在开展全球海马多样性形成机理研究的过程中，阐明了海马“刺状”特征是对珊瑚礁适应进化的重要模式（Nature Communications, 2021）。在此基础上，团队围绕草海龙附叶这一性状，通过比较基因组和转录组学分析，发现其表达基因主要从皮肤和鳍等器官募集而来，暗示了相关基因对新器官产生和维持的重要作用。然而与鳍相比，附叶缺乏“肢”发育关键Hox等基因，而许多参与免疫反应和组织修复的基因表达增高，同时，草海龙特异性扩张的MHC I基因也在附叶中显著高表达，表明附叶具有重要的免疫和再生作用，对草海龙成功适应海草床生态系统有着重要的进化意义（图3）。     

　　草海龙与其他海龙科物种一样具有缺乏牙齿的管状吻。团队早期研究表明，海龙科物种中参与骨骼、牙釉质和牙本质等的形成的分泌型钙结合磷蛋白（SCPP）家族丢失大量基因（Nature,2016）。其中，scpp5在丽鱼中被报道在咽喉齿中表达，但在海龙科中则因假基因化丧失功能。在本研究中，基于CRISPR/Cas9对斑马鱼进行基因编辑验证，发现scpp5-/-突变体咽喉齿数量显著减少且发生严重畸形，表明海龙科scpp5的假基因化可能是造成其牙齿丢失的关键因素（图4）。   

　　围绕海龙科鱼类性别决定特征，本研究对雌、雄草海龙及其近缘种绿海龙进行了全基因组比较分析，创新性发现草海龙和绿海龙的性别决定基因均为amhr2的雄性特异性拷贝amhr2y，但两者的基因座却不相同；进一步研究表明，草海龙和绿海龙的amhr2y在两者的共同祖先就已产生，但在绿海龙中与B-cadherin-like发生过基因融合事件（图5）。同时，与amhr2相比amhr2y受到更为强烈的选择压力，并且与黄金鲈的性别决定基因在进化历程、基因结构及特异位点均展现出趋同进化特征。   

　　综上所述，通过对草海龙和绿海龙全基因组测序和分析，研究团队揭示了关于草海龙复杂性状产生和丢失的演化机制，率先报道了海龙科物种性别决定基因的产生和演化历程，相关研究成果对海洋鱼类的环境适应性进化研究提供了新的视角。   

　　研究团队曲朦助理研究员、刘雅莉助理研究员、张艳红副研究员、万世明助理研究员和秦耿副研究员等为共同第一作者，林强研究员、Byrappa Venkatesh教授和Axel Meyer教授为共同通讯作者。该研究工作得到了中国科学院基础前沿计划从0到1原始创新项目、中国科学院战略性先导B专项、国家自然科学基金杰青项目、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）重大专项团队项目等资助。   

　　相关论文信息：Seadragon genome analysis provides insights into its phenotype and sex-determination locus. Science Advances, 18 Aug. 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abg5196.  

　　论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/34/eabg5196 

图1. 本研究以封面Article论文形式刊发于国际著名期刊Science Advances

图2. （A）草海龙与（B）绿海龙形态学特征及（C）系统进化关系

图3. 草海龙附叶形态及关键基因表达特征。（A）草海龙附叶结构示意图及横截面组织学结构，（B）基因募集分析

图4. 野生型和scpp5-/-突变体斑马鱼的咽喉齿形态比较分析。（A）斑马鱼咽喉齿位于第五对鳃弓；（B）草海龙第五对鳃弓缺少咽喉齿；（C-J）野生型（D-E）和scpp5-/-突变体（G-I）斑马鱼的咽喉齿形态对比；（F，J）模式示意图。

图5. 草海龙和绿海龙性别决定基因进化及其形成。（A）性别决定区域和性别决定候选基因；（B）amhr2y和amhr2基因在脊椎动物中的系统进化树；（C）绿海龙amhr2y基因形成示意图。