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基因揭秘 海馬雄性育兒

來源:本站整理 日期:2017-11-30

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編者按:

        中國海洋學會、中國太平洋學會、中國海洋湖沼學會聯合組織常務理事、理

事、同行領域專家及相關單位,經過廣泛推薦、專家評議及投票排序,近日評選出“2016年度中國海洋十大科技進展”,其中,“我國科學家首次揭示海馬基因組及其環境適應性進化機制”科學事件上榜。

        2016年12月15日,國際學術期刊《自然》(Nature)主刊以封面長論文(Article)的形式在線發表了由中國科學院南海海洋研究所研究員林強課題組主導,德國、新加坡、華大基因等實驗室共同完成的研究論文《海馬基因組及其特異體型進化機制》。該研究在首次完成海馬全基因組分析的基礎上,揭示了海馬在海洋近岸和島礁棲息過程中的長期適應性進化特征。據悉,該研究是國內在《Nature》主刊上發表的第一篇關于魚類研究的論文。


Nature 封面論文(Seahorse Evolution at a gallop)

 

        海馬隸屬于脊索動物門、海龍科、海馬屬,是具有特殊體型的魚類,廣泛分布于世界海洋,被視為海洋生態系統中重要的環境指示物種。長期以來,海馬獨特的雄性育兒和特異的交配行為一直受到科學界的高度關注。林強研究團隊通過全基因組數據分析得知海馬是目前已獲得全基因組魚類中進化速率最快的物種,并從基因層面探討了育兒袋形成和懷孕過程,揭開了海馬雄性育兒之謎;與此同時,該團隊瞄準國際上對于海洋魚類的進化研究高地,首次闡明了海馬特異體型進化機制,為人類重新認識海洋魚類進化地位和環境適應性開拓了新視角,對推動海洋生物學科發展具有重大意義。

        海馬是地球上已知的唯一真正表現出雄性懷孕生子的脊椎動物,這一現象使得它們一直備受國際科學家的“偏愛”。長久以來,我們都知道海馬爸爸是懷孕育兒的那一支“獨秀”,但我們對海馬爸爸的腹囊中發生的事情知之甚少。

        海馬爸爸是非常優秀的“ 母親”,在懷孕和生產過程中表現出了一般動物雌性才具備的功能。海馬爸爸既是精子的生產者同時也是懷孕者。海馬媽媽將它的卵子轉移到海馬爸爸的腹囊中,海馬爸爸在接收到卵子之后會釋放出精子使卵子受精,接著孵化15-30天直到小海馬出生。

        和其他魚類相比,海馬顯得尤其特別。大多數魚類都是卵生,即雌魚排出卵,雄魚授精,就完成了生育使命。少部分魚類如劍尾魚則屬于卵胎生,它們都是在雌性的卵巢里發育再排出體外。海馬雖屬于最低等的脊椎動物——魚類,但它的生育過程既不是卵生,也不是胎生,而是一個非常特殊的雄性卵胎生繁殖方式。并且在整個動物界,與人類和大多數動物的雌性產后代相比,海馬有著最特殊的雄性育兒現象,至今這一奇特現象都堪稱動物進化史上的典范。

        在林強研究團隊的基因分析中發現了一系列基因與海馬的育兒相關,發表的論文中采用了一個pastn基因為代表去詮釋海馬育兒的過程。研究團隊發現pastn基因在海馬基因組中發生了重復,從而推斷該基因可能發揮著一個新的作用——雄性海馬育嬰囊的出現。在雄海馬受精,胚胎發育過程中,其他相關基因能提供包括生理、營養、免疫等在內的相應調控,且能對幼魚(幼苗)進行保護。而pastn這一基因本身會影響育兒袋的產生,也會根據發育狀況不同起到不同的調控作用。不過,這一基因并非只存在雄性中,在雌性中也存在,但比較少,主要存在于雄性育兒袋中。這是國際上第一次從基因層面論證了海馬雄性育兒的原因。

        事實上,無論是企鵝的雄性孵化,還是海馬的雄性育兒等,都可以發現雄性個體在后代繁殖過程中扮演的角色非常重要。林強的研究團隊也并不是要簡單地分析雄性對繁殖的貢獻,而是希望能借此研究動物性角色過程中的能量分配。


海馬的頭型能創造出一個擾動極小的范圍,讓它們得以非??拷鼧O為敏感且難以捉摸的橈足類動物



        動物生長到一定程度會進入繁殖階段,繁殖過程是一個能量消耗的過程。正常情況下,個體的能量支出是一定的,即繁殖用的能量多,生長用的能量就少。那么在整個動物繁殖過程中,雄性提供的能量多,還是雌性提供的能量多,這在動物性角色的研究課題里是一個非常重要的內容。眼下林強的團隊就有人專門在研究這些內容,比如,雄海馬在后代的保育過程中,到底在哪些具體的行為或生理活動中消耗了能量?這種能量來自哪里?哪些基因參與了調控?為何基因控制的雄性和雌性懷孕的過程會如此相似?

        不僅如此,未來,林強課題組作為我國唯一一個開展海馬基礎研究的科研團隊,還將從基因進化層面進一步關注海馬育兒袋的功能和形成機制,并希望將來這些研究能為研究動物和人類生殖等課題提供一些幫助。與此同時,海馬因其獨特的藥用功效而被譽為海洋“人參”,在中醫藥中具有非常廣泛的應用,是一種珍稀的海洋藥源動物。他們也希望能找到海馬的相關藥理基因,研發新藥造福人類。


明明是魚,為什么長得像馬?

        海馬的頭型為何長得這么奇特?2014年美國德州大學奧斯汀分校海洋生物學家布萊德·蓋莫爾曾研究發現,海馬的頭型和它秘密地接近捕食對象的方式有關,海馬閃電般的速度,能為它獵捕到一頓海洋中最令人覬覦的大餐:橈足類動物。

        蓋莫爾說,海洋中每種動物基本上都想要獵食橈足類,因此橈足類已經演化出一些令人贊嘆的方法來避免遭到捕食者捕捉。這些法寶包括敏感度與速度。橈足類是一種微小的甲殼動物,它們看不見影像,所以仰賴對海水擾動的卓越敏感度來感覺靠近的捕食者。橈足類從它們感覺有動靜到逃跑,大約只有2~3毫秒的時間。它們的速度能讓它們在1秒內移動超過500個自己身長的距離。要捉到那么迅速的獵物,動作就必須比它更快一些。而在風平浪靜的情況下,海馬比其他的魚更擅于捕捉橈足類。海馬獵捕的成功率有90%,其他捕食者則只有30%?40%。


海馬的雙眼能夠獨立工作,能同時看到前方和后方


        在蓋莫爾的研究中指出,海馬的頭型能創造出一個擾動極小的范圍,讓它們得以非??拷鼧O為敏感且難以捉摸的橈足類動物。究竟為什么海馬本質上是一條魚,但頭部會像馬一樣?

        這次林強研究團隊從基因層面發現,的確存在相關基因調控了海馬的體形特征。較其他已知魚類,海馬的Hox基因CNE出現嚴重的缺失現象。這也就進一步證實了與體型相關的Hox基因CNE的缺失,對海馬體型起到了關鍵的調控作用。


為什么沒有牙齒用鼻管捕食?

        事實上,海馬全身遍及各種離奇古怪,除了海馬長著“像馬一樣”的頭部、管狀的鼻子以外,它還沒有牙齒。海馬沒有牙齒,并且海馬的雙眼能夠獨立工作,能同時看到前方和后方,這些特征都與其相應基因的特殊息息相關。這是除了蜻蜓和變色龍之外其他動物都不能做到的。為什么海馬在很短的時間進化出那么多獨特的功能?

        林強課題組從基因層面找到了答案。海馬沒有鱗片和牙齒,周身包被角質皮層和環骨,研究人員發現分泌型鈣結合磷蛋白(SCPP)主要參與骨骼、牙釉質和牙本質等的形成,而該類基因在海馬中嚴重缺失,只保留了2個。由于海馬沒有牙齒,所以其利用長長的鼻管吸入浮游生物以及其他小型獵物進食。


為什么沒有尾鰭腹鰭垂直游泳?

        海馬的身體由硬化的骨片狀皮膚覆蓋,還能改變體色來偽裝自己以逃避掠食者。海馬的游動方式也很奇特,它們幾乎總是昂立著身體垂直上下游動,而非水平地游動。海馬依靠卷曲的尾部勾住海草來固定身體位置或者防止被海流沖走。此外,最不同于一般魚類的是,海馬沒有尾鰭和腹鰭。


海馬依靠卷曲的尾部勾住海草來固定身體位置或者防止被海流沖走。此外,最不同于一般魚類的是,海馬沒有尾鰭和腹鰭

        值得注意的是,林強研究團隊發現,其他魚類基因組中對應于腹鰭的基因以及高等動物基因組對應于下肢的基因,在海馬基因組中都缺失了,所以海馬沒有腹鰭。因此海馬依靠其背部的小而幾乎透明的魚鰭快速扇動來實現游動,并且利用其靠近頭后部的小小的胸鰭來實現轉向。

        海馬“下肢”為何沒了?為適應海馬直立游泳的運動方式,海馬的腹鰭在長期進化中丟失了。海馬的腹鰭相當于高等動物的下肢或人的腿,是很重要的一個器官。一個基因的缺失直接導致腹鰭丟失的現象,這在動物界中也是不多見的。Tbx4基因是決定肢體發育的重要基因。林強研究團隊通過比較基因組分析發現海馬基因組中丟失了這個基因,推測海馬腹鰭的缺失可能與此相關。為了驗證這個推測,研究人員在斑馬魚中進行基因敲除實驗,結果發現敲除Tbx4基因的斑馬魚真的沒有腹鰭。這就進一步證實了Tbx4基因缺失對海馬腹鰭確實起到了調控作用。

        此外,由于海馬為直立游泳,運動能力弱,其尾巴常卷在附著物上,通過偽裝色來捕食和躲避敵害生物。這些特殊的生活史特征,與其生存的環境是密切相關的。其關聯基因在長期的進化過程中,或許已經“造就”了海馬特異的體型。


是忠貞之魚還是調情高手?

        海馬是“忠貞之魚”,一生恪守“一夫一妻制”?事實并非如此,林強認為,海馬們個個都是“調情高手”,甚至有“同性戀行為”。其實海馬專不專一與其生活環境相關。在海洋中生活的海馬,由于其數量較少,異性海馬之間一旦碰面就心生情愫不會輕易分開。但是海馬在實驗室的條件下觀察,幾乎所有的海馬品種都會打破一夫一妻制,甚至很多雄性個體間還會出現假交配現象。


由于海馬為直立游泳,運動能力弱,其尾巴常卷在附著物上,通過偽裝色來捕食和躲避敵害生物


研究海馬的初衷

        “海馬長得漂亮, 且藥用價值高”,提及研究海馬的初衷,林強道出了緣由。林強說,從研究生開始,他就鐘情于海馬的相關行為學研究,至今已有將近15年的研究基礎。2010年他留學回國后主導組建了國內唯一的海馬研究團隊。2013年,他們課題組啟動了海馬全基因組工作。歷經3年的協同攻關和深入探索,研究團隊最終在國際上首次完成了海馬的全基因組測序及數據分析,將為魚類的基礎與應用研究提供重要的數據信息。

        人和老鼠的基因有95%以上是相同的,那么人類與海馬呢?林強說,雖然人類起源于海洋生物,但是魚類是最原始的脊椎動物,而人類是最高級的脊椎動物,海馬與人類之間跨度太大,因此根據科研問題的設置,這次并沒有將海馬跟人的基因進行對比研究。但是海馬的許多基因與其他懷孕動物的基因很相似。海馬爸爸們和人類的母親一樣,需要確定它們能為受精卵提供氧氣和營養等。只不過我們在子宮中用胎盤,而海馬爸爸用腹囊中增厚的類胎盤來達到同樣的目的。也就是說,動物之間的很多基因都是相同的,未來他們還會研究海馬在繁殖過程中,它的一些基因是否與哺乳動物比如人類、小鼠等一樣存在平行進化現象,探討繁殖基因進化問題。林強強調,科學的意義在于不斷的探索和發現,海馬神秘的面紗正被慢慢地揭開,然而海洋帶給他們的太多未知仍需要去繼續發現。

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