研究揭示海洋魚類恆溫演化與環境適應機制

近日，由中國科學院南海海洋研究所、中科院熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室（LMB）研究員林強團隊和廈門大學環境與生態學院教授王大志團隊等合作完成的海洋魚類恆溫與環境適應機制解析的最新研究進展，發表在The Innovation（《創新》）上。

在脊椎動物演化史上，恆溫物種的出現是一個重大進化轉變。傳統認為，哺乳類和鳥類是典型的恆溫動物，而實際上恆溫已在其它脊椎動物分支中獨立進化多次（圖1）。月亮魚（Lampris spp.）是目前已報道的唯一一類“全身恆溫”的魚類，改變了魚類均是變溫動物的傳統認知。月亮魚是研究恆溫早期起源與演化的理想物件，也是展現不同恆溫物種趨同演化的理想案例。

月亮魚因其體型側扁、形似圓月而得名，最大體長可達2米，重量可達140千克，視覺敏銳，是全球性分佈的大型魚類。月亮魚肉色通紅，體溫比周圍海水溫度高約5℃，透過不斷拍打胸鰭利用肌肉收縮大量產熱，並且在其鰓部存在一個逆流熱交換的血管網路以減緩血液流經鰓部時的熱量散失，這種產熱和保溫能力使得月亮魚成為名副其實的恆溫魚類。研究團隊組裝了染色體水平的月亮魚基因組，發現其基因組中的轉座元件含量較高，其長末端重複序列（LTR）的含量在目前已報道的魚類中最高，科研人員在LTR周圍找到多個能量轉化、視覺發育相關的基因，並富集到如氧轉運、ATP結合等關鍵能量代謝通路（圖2）。這些功能基因周圍轉座元件的頻繁跳躍可能為基因的適應進化及表達調控提供素材。

研究選擇具有恆溫特徵的脊椎動物進行趨同進化分析，篩選到如線粒體鈉鈣交換蛋白（slc8b1）, 谷氧還蛋白-3（glrx3）等基因在多個恆溫物種譜系中具有顯著的趨同訊號，這些基因線上粒體鈉/鈣離子交換與血紅蛋白成熟方面發揮關鍵作用。此外，科研人員發現血紅素合成、電子傳遞鏈活性等相關基因在恆溫物種中具有更快的進化速率（圖3）。研究揭示，不同譜系的恆溫脊椎動物在進化上存在明顯分子趨同特徵。研究還發現，月亮魚基因組中多個與肌肉發育、收縮過程以及逆流熱交換血管系統形成相關的基因（如肌鈣蛋白troponin，血管內皮調節蛋白robo4等）受到顯著的選擇或者發生特異性擴張（圖4）。此外，與氧化磷酸化、糖代謝等過程相關的多個基因也發生適應性變化。這些基因的適應性變化可能共同驅動了月亮魚恆溫性狀的發生與維持。

月亮魚是紅肌體重佔比較高的魚類，其胸鰭基部發達的紅肌是主要產熱組織。魚體多個部位肌肉組織的轉錄組和蛋白組資料比較分析發現，氧化磷酸化和產熱相關基因、蛋白在胸鰭紅肌中高表達，同樣作為產熱組織，胸鰭紅肌與背部紅肌的基因表達模式也更相近。此外，研究還探討了恆溫為月亮魚帶來的諸多生存優勢，如適應性免疫系統的特化；視覺發育相關基因（如晶狀體蛋白等）顯著擴張；嗅覺相關基因明顯收縮，其嗅覺受體（OR）數量比嗅覺退化的海馬還要低（圖5）。

恆溫在脊椎動物中的演化歷程為進一步認知動物的環境適應機制提供了視窗，月亮魚作為海洋環境中獨特的恆溫物種，改變了對恆溫動物的傳統認知，其完整的基因組資訊也為認識恆溫的早期起源與演化提供了重要線索。

研究工作得到中科院基礎前沿科學研究計劃從0到1原始創新專案、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進重大專項、國家傑出青年科學基金專案、國家科技基礎資源調查專案等的聯合資助。

圖1.恆溫在脊椎動物中的演化歷史

圖2.月亮魚的演化歷史與基因組結構

圖3.脊椎動物恆溫的趨同演化

圖4.月亮魚肌肉產熱及逆流熱交換血管系統演化的遺傳基礎解析

圖5.月亮魚視覺與嗅覺的相關基因分別發生顯著擴張和收縮

來源：中國科學院南海海洋研究所