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比较基因组学揭示深渊环境中鱼类嗅觉的适应性进化

文章来源:撰稿/供图:何舜平  |  发布时间:2019-12-18  |  【打印】 【关闭

  嗅觉感知作为化学感知的重要组成部分,在动物的生存和繁殖中起到重要的作用。鱼类通过精密调节的嗅觉系统识别并分辨水中众多的化学信息,为食物定位、危险躲避、亲缘识别及生殖洄游等行为提供至关重要的信息。海斗深渊(>6000m)具有高压、温差巨大、终年无光、食物匮乏等特殊极端条件,是常规生命形式的禁区,而狮子鱼这一类群在全球范围内的海斗深渊中均有发现,说明狮子鱼能够在如此极端的环境下成功的生存和繁衍。其中马里亚纳狮子鱼是目前发现的最深的脊椎动物,生存范围可达到8100m。但是,目前尚未有关于深渊环境下鱼类嗅觉的适应性进化研究报道。

  动物的嗅觉基因家族的进化与其生存环境下的生态需求紧密相关。例如,嗅觉功能基因的数目的改变与水生和陆生环境的不同、食性的转变、功能依赖性的改变等密切相关。马里亚纳狮子鱼可以迅速的被投放的诱饵所吸引,表明其嗅觉在觅食中具有重要的功能。其在深渊的生态环境中属于捕食者,位于食物链的顶端,但在物种丰度和数量贫乏的深渊环境中,其专一的以少数几种甲壳类生物为食。另外,由于生存在黑暗无光的环境,其视觉能力发生了褪化。因此,马里亚纳狮子鱼对嗅觉功能的依赖性既可能会由于特化的专一性食性而减弱,也可能会向补偿视觉的退化而增强方向发生适应性进化。

  为了探讨上述科学问题,中科院何舜平研究员团队查找并注释了9种鱼类的嗅觉受体(OR)和痕量胺受体(TAAR)基因家族,并重点对比马里亚纳狮子鱼与其浅海近缘物种细纹狮子鱼之间的差异。研究发现马里亚纳狮子鱼的OR基因家族发生了大量的丢失,并伴随着很高比例的假基因化。而TAAR基因家族基因的数目变化不大。系统发育分析结果表明,马里亚纳狮子鱼和细纹狮子鱼嗅觉基因家族的组成高度保守。同细纹狮子鱼相比,马里亚纳狮子鱼OR基因家族的亚家族数量相近,但每个亚家族中的OR基因数目明显减少,而TAAR基因家族的亚家族数目发生减少,但亚家族中的TAAR数量增加。尽管马里亚纳狮子鱼OR亚家族普遍是收缩的,仍发现有个别亚家族发生扩张,这种亚家族间独立的进化历程反映了不同OR亚家族基因在深渊生态环境中面临独立的选择压力。进一步的进化选择压力的分析显示,OR基因在马里亚纳狮子鱼中发生了松弛选择,其功能依赖性降低。而TAAR基因则受到正选择作用,这表明TAAR基因在马里亚纳狮子鱼适应深渊生态环境中仍具有重要的作用,符合其能够迅速感知动物腐败后释放的胺的现象。这项研究首次揭示了马里亚纳狮子鱼在占据深渊环境中嗅觉发生了简单但专一的适应性进化历程,为进一步了解深渊中生物的生态适应提供了重要的基础和见解。

  这一研究结果,近日发表在GENES 杂志 (https://www_mdpi.xilesou.top/2073-4425/10/11/910)。研究工作由博士生姜海峰等人完成,研究得到国家科技攻关计划和国家自然科学基金的资助。

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九种鱼类嗅觉受体基因构建的系统树

九种鱼类的痕量氨受体基因构建的系统树

hot88狮子鱼和潜海狮子鱼嗅觉受体基因和痕量氨受体基因数量比较

 

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