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Nature:中科院南海研究所石琼课题组揭示海马基因组特征及其环境适应进化机制

摘要 : 2016年12月15日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》杂志在线发表了中国科学院南海海洋研究所研究员林强课题组主导,德国康士坦茨大学Axel Meyer研究组、新加坡国立大学Byrappa Venkatesh研究组和华大基因石琼教授研究组合作的The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology(《海马基因组及其特异体型进化机制》)研究论文。

 2016年12月15日,国际学术权威刊物自然出版集团《Nature》杂志在线发表了中国科学院南海海洋研究所研究员林强课题组主导,德国康士坦茨大学Axel Meyer研究组、新加坡国立大学Byrappa Venkatesh研究组和华大基因石琼教授研究组合作的The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology(《海马基因组及其特异体型进化机制》)研究论文。研究在首次完成海马全基因组分析的基础上,揭示了海马在海洋近岸和岛礁栖息过程中的长期适应性进化特征。据悉该研究是国内在Nature主刊上发表的第一篇关于鱼类研究的论文。研究被选为当期封面论文。林强研究员为论文第一作者,Axel Meyer教授、Byrappa Venkatesh研究员和石琼教授为论文共同通讯作者。

海马隶属于脊索动物门、海龙科、海马属,是具有特殊体型的鱼类,广泛分布于世界海洋,被视为海洋生态系统中重要的环境指示物种;因其特殊药用功效而被誉为海洋“人参”,加上海马独特的雄性育儿和特异的交配行为而一直受到科学界的高度关注。林强研究团队通过全基因组数据分析得知海马是目前已获得全基因组鱼类中进化速率最快的物种(图1),发现海马与环境适应相关的基因在长期的进化过程中发生了明显收缩,如嗅觉受体基因(ORs)的数目只有26个,而其它鱼类多达60-169个;分泌型钙结合磷蛋白(SCPP)主要参与骨骼、牙釉质和牙本质等的形成,该类基因在海马中严重缺失,只保留了2个。与此同时,该研究对海马的非编码调控原件(CNEs)进行整体分析,发现海马的CNE较其它已知鱼类出现严重的缺失现象,转基因研究进一步证实了体型相关的Hox基因CNE的缺失对海马体型确实起到了调控作用。

海龙科鱼类是目前已知动物中唯一拥有“雄性育儿”行为的物种。研究人员发现海马育儿袋相关的新颖基因pastn基因发生扩增,并出现特异高表达;虽然在剑尾鱼(platyfish)的c6ast基因家族中也有类似pastn基因的结构及其相同的组合方式,但海马的pastn基因拥有“独立进化”的模式;pastn基因重复的基因选配机制在育儿袋的产生及其雄性怀孕过程中展现出新的功能特征(图2),在揭开海马雄性育儿之谜中取得了重大突破。

海马腹鳍退化机制研究也是该论文的亮点内容之一。研究人员通过对海马和其它鱼类全基因组的比较,发现海马缺失tbx4基因,基于CRISPR/Cas9 tbx4-/-验证发现敲除后斑马鱼的腹鳍完全丢失,但并没有引起其它体型相关特征的改变,从而揭示了tbx4基因的丢失确实是海马缺失腹鳍的关键原因。该研究结果将为阐明鱼类进化过程中腹鳍丢失的分子机制提供了重要线索(图3),对于加深人类认识海马生物学特性和海洋鱼类进化地位具有重要意义。

综上,林强及其合作研究团队在国际上率先完成了海马的全基因组研究,揭示了海马是一种快速进化的物种,并从基因层面探讨了育儿袋形成和怀孕过程,揭开了海马雄性育儿之谜;与此同时,该团队瞄准国际上对于海洋鱼类的进化研究高地,首次阐明了海马特异体型进化机制,为人类重新认识海洋鱼类进化地位和环境适应性开拓了新视角,对推动海洋生物学科发展具有重大意义。

图1:海马的特异体型及其进化速率

图2:海马c6ast基因家族中pastn基因的重复及其排列模式

图3: CRISPR/Cas9 tbx4-/-斑马鱼敲除实验揭示tbx4基因丢失导致海马腹鳍缺失

原文链接:

The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology

原文摘要:

Seahorses have a specialized morphology that includes a toothless tubular mouth, a body covered with bony plates, a male brood pouch, and the absence of caudal and pelvic fins. Here we report the sequencing and de novo assembly of the genome of the tiger tail seahorse, Hippocampus comes. Comparative genomic analysis identifies higher protein and nucleotide evolutionary rates inH. comes compared with other teleost fish genomes. We identified an astacin metalloprotease gene family that has undergone expansion and is highly expressed in the male brood pouch. We also find that the H. comes genome lacks enamel matrix protein-coding proline/glutamine-rich secretory calcium-binding phosphoprotein genes, which might have led to the loss of mineralized teeth. tbx4, a regulator of hindlimb development, is also not found in H. comes genome. Knockout of tbx4 in zebrafish showed a ‘pelvic fin-loss’ phenotype similar to that of seahorses.

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