《細胞》雜志刊登兩篇論文揭示脊椎動物水生到陸生演化過程中的遺傳創(chuàng)新基礎
原始輻鰭魚已經(jīng)具備大量陸生特性相關的刊登關鍵基因組元件（供圖：畢旭鵬，張國捷，兩篇論文 Brian Choo）
非洲肺魚基因組為理解脊椎動物水生陸生轉(zhuǎn)變提供了重要橋梁。水生生演（供圖：王堃，化過王文）
（神秘的程中傳創(chuàng)礎地球uux.cn報道）據(jù)中國科學院古脊椎動物與古人類研究所：2021年2月5日凌晨，《細胞》雜志（Cell）在線發(fā)表了題目分別為“African lungfish genome sheds light on 細胞新基the vertebrate water-to-land transition”和“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”兩篇研究論文。兩篇“姊妹”論文分別解析了現(xiàn)生肉鰭魚類中與四足動物親緣關系最近的雜志非洲肺魚、以及原始輻鰭魚類塞內(nèi)加爾多鰭魚、刊登匙吻鱘、兩篇論文弓鰭魚和鱷雀鱔共五個物種的揭示脊椎基因組。兩篇論文交叉整合基因組學、動物到陸的遺進化生物學、魚類學、古生物學、計算生物學和分子生物學等學科，分別從不同角度揭示了脊椎動物水生到陸生的轉(zhuǎn)變之謎。
兩篇論文的研究工作由西北工業(yè)大學，中國科學院水生生物研究所，昆明動物研究所、古脊椎動物與古人類研究所等國內(nèi)外多家單位協(xié)作完成，中科院古脊椎所朱敏研究員、朱幼安副研究員作為古生物學背景的合作者參與了上述兩篇論文的工作，其中朱敏研究員為原始輻鰭魚類基因組論文的共同通訊作者。
脊椎動物從水生到陸生是脊椎動物演化史上的一次飛躍，也是脊椎動物演化中最重要的科學問題之一。脊椎動物登陸事件發(fā)生于有頜類中的硬骨魚類。現(xiàn)生硬骨魚類包含肉鰭魚類和輻鰭魚類。這兩個類群中物種數(shù)量最為繁盛的是肉鰭魚類中的四足動物（成功登陸的脊椎動物類群）以及輻鰭魚類中的真骨魚類。相對于這兩個最為繁盛的類群，硬骨魚類演化樹基部各支系的現(xiàn)生代表，如拉蒂邁魚、肺魚、多鰭魚、弓鰭魚、雀鱔、鱘等的物種數(shù)稀少，但卻隱藏著祖先演化所遺留的痕跡，有“活化石”、“古代魚”之稱。
在第一篇論文中，中國科學院昆明動物研究所王文研究員及合作者報道了對非洲肺魚基因組的解析和研究，非洲肺魚擁有所有生物中迄今得到解析的最龐大基因組，包含高達400多億對堿基（40 Gb），是人類基因組（3Gb）的10多倍。對肺魚基因組的研究表明，脊椎動物從水生到陸生的演化經(jīng)歷了三步重要的遺傳創(chuàng)新過程。空氣呼吸能力和空氣嗅覺的分子基礎在肉鰭魚類和輻鰭魚類的共同祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，而輻鰭魚類中的真骨魚類則丟失了這一特性，屬于更為特化的類群。隨后，肉鰭魚類的祖先中出現(xiàn)了更多呼吸相關基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進一步加強。最終，四足動物演化出了更多基因和功能元件，從而具備了完備的空氣呼吸能力，成功擺脫水的桎梏。與四肢運動相關的功能也呈現(xiàn)漸進式創(chuàng)新的特點，四足動物的肱骨與原始輻鰭魚類的后基鰭骨為同源器官，橈骨則可能從肺魚和四足動物祖先開始起源，五指/趾則從四足動物開始起源。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了大腦、心臟等多個器官在登陸過程中的遺傳變異基礎。
在另外一篇論文的工作中，中國科學院昆明動物研究所張國捷研究員及合作者圍繞原始輻鰭魚類五個代表物種的基因組，分析研究四足動物對陸地生活的功能在魚類中的演化基礎。陸生脊椎動物起源過程中伴隨著的兩個重大適應性功能形態(tài)演化事件，即適應水中運動的魚鰭演化為適應陸地運動的四肢，及用鰓在水中呼吸演化為用肺呼吸空氣。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控四肢運動靈活性的基因功能元件可能在硬骨魚類共同祖先即已出現(xiàn)，這些元件在真骨魚類中卻特化丟失了，但在現(xiàn)生原始輻鰭魚類和肉鰭魚類中保留下來。這些元件為四足動物的四肢演化提供了重要遺傳創(chuàng)新基礎。而肺的功能形態(tài)和遺傳基礎的起源也同樣可以追溯到所有硬骨魚類的共同祖先，這一時期的‘原肺’在多鰭魚和肉鰭魚類中繼續(xù)演化成更為成熟的肺，而在大部分現(xiàn)代硬骨魚類中特化為魚鰾。此外，陸生脊椎動物的出現(xiàn)還伴隨著心肺系統(tǒng)從單循環(huán)到雙循環(huán)的協(xié)同演化過程。在雙循環(huán)系統(tǒng)演化中起到重要調(diào)節(jié)功能的基因元件也能在多鰭魚甚至軟骨魚類中找到，說明一些非常古老的基因調(diào)控網(wǎng)絡為脊椎動物水生到陸生的演化提供了重要的遺傳和功能創(chuàng)新基礎。上述研究成果對理解脊椎動物從水生到陸生的演化機制和歷程具有里程碑意義。
論文鏈接：
https://authors.elsevier.com/c/1cXATL7PXezJC
https://authors.elsevier.com/c/1cX5eL7PXezIx
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