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【中邦科学报】找分别:洞窟鱼演化遗传机制存分歧

gecimao 发表于 2019-03-12 19:27 | 查看: | 回复:

  众多物种在不同的洞穴环境中独立演化,却具有眼睛及色素退化的共同特征。中科院动物所的一项最新科研进展显示,这一过程可能具有不同遗传机制。相关研究成果还表明,这可能有助于找到和人类视网膜疾病相关的线索。

  洞穴作为一种特殊的生境孕育着很多鲜为人知的生物,从而一直吸引着人类探索其中的奥秘。洞穴鱼类在黑暗的条件下长期生存,逐渐演化出许多独特的适应性特征,如眼睛和色素沉着减少或缺失。

  对于洞穴鱼的研究,学界一直存在一个困惑:所有洞穴鱼类眼睛的退行性演化是否都具有共同的遗传机制呢?

  中国科学院动物研究所(简称动物所)的科研人员给出了不一样的答案。该所胚胎发育信号转导研究组助理研究员孟凡伟和研究员张春光以洞穴金线鲃为动物模型做了相关研究,结果发现洞穴无眼金线鲃和洞穴丽脂鲤的眼睛退化可能存有不同的遗传机制。

  2010年5月,孟凡伟和张春光在云南某地半山腰的一处洞穴内,捕获了几尾洞穴无眼金线鲃,将其带回动物所做相关研究。

  金线鲃属是我国特有鱼类,大部分种类生活在洞穴环境中,随着洞穴依赖性的增强,眼睛逐渐变小直至彻底消失。张春光在接受《中国科学报》记者采访时指出:“针对不同起源、独立演化的洞穴鱼类群进行研究,对于理解洞穴鱼眼睛退化的普遍遗传机制是十分必要的。”

  相对于地表生活的丽脂鲤,科研人员发现,洞穴丽脂鲤的Shh基因及其信号通路其他成员在胚胎发育过程中的表达范围扩大,增加了晶状体细胞的凋亡,最终导致眼睛退化。

  “不同种类的洞穴鱼在不同的地点,都演化出了眼睛、体色退化的特征,但这不代表所有洞穴鱼都是一种共同的机制在这里面起作用。”孟凡伟在接受《中国科学报》记者采访时表示。

  他们利用分子生物学的方法去研究洞穴金线鲃,发现在其眼睛内的视杆细胞和视锥细胞的形态上,和墨西哥洞穴丽脂鲤的视网膜是不一样的。无眼金线鲃的晶状体未出现凋亡现象,这说明无眼金线鲃眼睛的退化是不依赖于晶状体凋亡的。

  此外,孟凡伟还利用新一代高通量测序技术做了转录组测序,并对测序数据进行全新组装,首次获得了金线鲃的转录组序列信息,并发现视觉信号转导相关基因和视网膜疾病相关基因均在无眼金线鲃眼睛中明显下调。

  通过比对墨西哥丽脂鲤的相关数据,结果显示无眼金线鲃眼睛视网膜的退化可能是由一些负责视网膜发育和维持的转录因子下调造成的。这说明,两种独立进化的洞穴鱼类的眼睛退化可能具有不同的遗传机制。

  这两方面的结果说明,在类似生存环境下,视力、体色退化的两种鱼类,在遗传机制方面并非表现得一样。

  张春光谈到,我国上世纪70年代以前就已开始了洞穴鱼方面的研究,但那时因为经费、科研能力等问题,对洞穴鱼类的认识很有限,记录的种类也很少。

  现在,科研人员对于洞穴鱼在我国的种类、分布、濒危状态等情况有了比较深入的了解。目前,我国已发现100余种洞穴鱼。

  这些在洞穴里生存的鱼类和在地表自然光线下生存的鱼类形态上有很大差别,由于黑暗的环境,视觉没有作用,眼睛逐渐退化甚至完全消失,体色也随之退化,不少洞穴鱼身体颜色变浅甚至呈半透明。

  “一些退化特别厉害的洞穴鱼,你甚至可以用肉眼直观地看到它们的内脏和血管中流动的血液。”张春光说,洞穴鱼的这些变化并非是从地表种直接到洞穴种,由于对洞穴的依赖性差别,这中间还出现了很多过渡种类。比如眼睛退化的程度在不同洞穴鱼间不一致,光线越暗的洞穴里,发现的鱼类眼睛退化得越厉害,直至消失,这是一个渐变的过程。

  洞穴鱼的物种分化特别强烈。张春光在野外调研过程中,常常发现一个种类的洞穴鱼只存在于某一个洞穴中,也出现过一个洞穴中有好几种洞穴鱼的情景。

  这些依赖于洞穴生存而导致视力、体色退化的鱼类,其触觉和嗅觉变得异常灵敏。张春光拿着一条洞穴金线鲃的标本指给记者看,鱼唇附近的触须相比地表种要长得多。为了更好地觅食,其嗅觉器官也更加发达,嗅觉更加灵敏。

  另外,在黑暗的洞穴中生存,必须能够精确感知水流和周围的障碍物,这使得洞穴鱼身体两侧的测线系统也很发达。

  此次研究的结果同样反映出,洞穴金线鲃和洞穴丽脂鲤的眼睛退化可能具有不同的分子机制,这为进一步阐明洞穴生物眼睛退行性演化的分子机制提供了重要而有意义的资料。

  科研人员发现,无眼金线鲃眼睛退化与视觉信号传导相关信号通路,以及视网膜退化、色盲等和视网膜相关的疾病基因密切相关,这或许能为人类眼睛疾病的相关研究提供一些启示。

  “这使得洞穴鱼可能成为研究人类视网膜相关疾病的一个研究模型,为人类视网膜损伤后的修复治疗提供一些思路。”孟凡伟说,尽管洞穴金线鲃和丽脂鲤眼睛的退化可能具有的不同遗传机制,但是从进化理论层次来看,它们到底是中性进化还是自然选择?这将是科研人员下一步需要研究的问题。

  目前,科研人员对于洞穴鱼的研究主要还停留在物种认识阶段。张春光说:“接下来,我们将对洞穴鱼进行更深入研究,去了解其食物构成、生殖过程、繁衍规律等个体生物学方面的问题,为进一步深入研究洞穴鱼类的演化机制打基础。”

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