研究解密珊瑚礁共栖物种形成与适应进化的遗传调控机制

珊瑚礁生态系统蕴含极高的生物多样性，驱动了诸多海洋新生命的出现。在漫长的演化历程中，珊瑚礁物种展现出多彩斑斓的体色，并伴随个体小型化的规律。海龙科物种是典型的小型硬骨鱼类，主要栖息于珊瑚礁和海草床等生态系统。近期，科研人员调查发现，为提高生存机会，部分海龙科物种因栖息珊瑚发生了完美的拟态行为。然而，学界对这种珊瑚礁生态系统的特异性适应机理尚不明晰。

豆丁海马（Hippocampus bargibanti）是已知体型最小的硬骨鱼类之一，成体全长仅有1至2厘米，终生专性栖息在柳珊瑚上生存。相较于其他海马，豆丁海马没有育儿袋结构，其胚胎植入雄鱼体内发育，继而进化出一类“雄性体内怀孕”模式。同时，为更好融入宿主柳珊瑚环境，豆丁海马呈现出独特的拟态特征，即全身覆盖类似柳珊瑚的瘤状结节，“长吻”退化，使其与柳珊瑚在视觉上几乎“融为一体”。但是，柳珊瑚分泌的毒素是自然界中最致命的天然毒素之一，这给豆丁海马与柳珊瑚的零距离接触也带来了严峻挑战，两者之间独特的附生关系形成机制和柳珊瑚驱动豆丁海马体型演化的调控机制一直是学界关注的热点。

近日，中国科学院南海海洋研究所研究员林强团队在海龙科鱼类对珊瑚共栖的适应进化机制研究方面取得进展，并首次提出了珊瑚能驱动其共栖物种小型化的新观点。研究人员对豆丁海马展开了多组学和生物实验解析发现，豆丁海马基因组中丢失了大量与体型大小和颌面骨骼发育相关的保守非编码区（CNE）。研究人员结合RNA-seq、ATAC-seq等数据的比较研究发现，这些丢失的CNE可通过调控相关基因的表达模式影响颌面骨骼生长发育过程，且hoxa2b基因发生了假基因化，即失去功能。进一步，研究人员基于CRISPR基因编辑实验证实，敲除hoxa2b基因会导致鱼类颌面骨骼发育畸形。因此，研究提出，CNE丢失和关键基因功能突变是驱动豆丁海马体型极度小型化和短吻表型的关键遗传因素。

同时，在豆丁海马栖息柳珊瑚过程中，珊瑚分泌物对其生存是一把“双刃剑”。一方面，豆丁海马的神经传导和离子通道相关基因发生了快速进化，这表明它们可能衍生出比珊瑚毒素更强的耐受或抵抗能力；另一方面，豆丁海马能够利用宿主珊瑚分泌物的免疫保护功能来抵御外源病原体，这可能与豆丁海马大量丢失其免疫相关基因有协同演化关系。因此，研究认为，这种“免疫精简”策略可降低其能量消耗，并有助于其形成“雄性体内怀孕”模式，有效避免了在胚胎着床过程中的免疫排斥反应。这种高度依赖宿主并通过主动“精简”自身基因组来获取生存优势的过程，恰好符合生物学中“黑皇后假说”（Black Queen Hypothesis）的典型例证，即舍弃某些“昂贵”的功能，依赖“伙伴”提供。

相关研究成果以Symbiosis with and mimicry of corals were facilitated by immune gene loss and body remodeling in the pygmy seahorse为题，发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部等的支持。

论文链接

豆丁海马CNE丢失与hoxa2b基因的功能突变是驱动体型小型化和短吻表型的关键调控因素

豆丁海马对柳珊瑚适应的进化与遗传调控机制