研究揭示海洋蛇类适应环境遗传机制

各种海蛇图片:中国科学院成都生物研究所

发展海洋经济,促进海洋科学研究,是我国海洋强国战略的重要组成部分。地球海洋总面积为3.6亿平方公里,占地球表面积的71%。海洋环境作为原始生命的滋生地,对地球上生命的起源和进化起着至关重要的作用。

浩瀚的海洋是许多生物生活的环境。目前,已知约有240,000种物种生活在海洋中。它们中的大多数是从海洋进化而来的,但也有一些是从陆地环境回到海洋,并逐渐适应生存。哺乳动物中的鲸鱼是最著名的群体。

就物种而言,由于海洋和陆地环境之间的巨大差异,例如光、盐度、氧气摄入、渗透压和运动方式,当从陆地进入海洋并逐渐生存和适应时,有必要克服巨大的阻力并进化适应独特环境的能力。

海蛇是一种生活在海里的爬行动物。目前,世界上已知的物种大约有200种。海蛇可以潜到140米深,但是它们经常在30米深的浅海区域活动,用它们的肺呼吸空气中的氧气。他们肺部发达的储气部分几乎穿过腹腔到达泄殖腔口,这可以在水下为他们提供充足的氧气。

海蛇是一种有前沟齿的毒蛇。其毒液成分主要是神经毒素,也是蛇毒研究的重要对象。先前的研究表明,在过去的1000万年里,海蛇已经从陆地回到了海洋栖息地。一些物种已经迅速而成功地在海洋环境中定居。

那么,海蛇如何适应特殊的海洋环境呢?

为了探讨这一科学问题,中国科学院成都生物研究所研究员李通过基因组学、比较基因组学、转录组学等分析方法,揭示了海洋蛇类适应特殊海洋生境的遗传机制。发现海蛇的编码基因和非编码保守元件都具有快速进化信号。这些快速进化的元素可能在海蛇适应从陆地到海洋的海洋环境的过程中发挥重要作用,确保海蛇能够在短时间内适应海洋环境并在海洋中正常生活。

这项研究基于从头测序的全基因组分析,揭示了大约2000万年前海蛇的669个基因家族已经扩大。这些基因富含“细胞对渗透压的反应”、“感觉声音感知”、“骨化的积极调节”、“躯干肌肉发育”和免疫相关信号通路的功能。

基因富集的结果与平下巴海蛇(左)和海洋(右)的海洋适应有关。图片来源:中国科学院成都生物研究所

通过选择性压力分析,结果表明平颏海蛇470的编码基因被正向选择,其中GRK7、VISININ、CNG3和GUC2基因与光传输有关,SC6A6是细胞渗透压调节氨基酸转运蛋白的重要编码基因。非编码元件序列的变化可能导致相关基因调控的变化,从而影响表型。对保守非编码元件(CNEs)的分析发现,扁头海蛇的108个CNEs经历了快速进化,与它们相关的编码基因富含骨、肌肉和神经系统发育相关的信号通路,这可能与扁头海蛇水平压缩的身体、扁尾的形成和海陆运动模式的变化有关。

海蛇和海龟从陆地到海洋有相似的再环境适应过程,有相同的生存环境。分子会聚进化分析表明,海蛇和海龟的DNA损伤修复基因ERCC4蛋白序列具有相同的特异性氨基酸残基取代(V870I),位于ERCC4 HhH2结构域。与其他海洋动物的比较进一步揭示了该氨基酸位点可能是海洋动物的一个独特的氨基酸残基替代位点。ERCC4基因主要在缺氧条件下的细胞中发挥作用。因此,该研究推测,该基因可能是扁下巴海蛇和其他海洋动物通过长时间潜入海洋来适应低氧环境的机制之一。

通过对海蛇、尖吻蝮和海蛇的毒腺进行转录组测序,并结合已发表的五种眼镜蛇转录组数据,比较转录组分析显示海蛇表达的PLA2毒素转录组最多,这可能有助于它们更有效地捕食海洋中快速游动的鱼类。

这项研究提供了迄今为止质量最好的海蛇参考基因组。基于这一基因组,首次解释了海蛇次级海洋适应的遗传进化机制。研究结果有助于加深对爬行动物第二次从陆地进入海洋的环境适应性的理解,也为研究经历相同过程的动物的适应性进化提供了重要启示。高质量的完整基因组对海蛇抗蛇毒血清的开发和利用也具有重要意义。

最近,相关的研究成果在《分子生物学与进化》上发表。该研究得到了中国科学院战略试点项目、前沿重点研究项目、西部之光团队、青年促进协会项目和国家自然科学基金项目的支持。

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/molbev/msaa043

标题:研究揭示海洋蛇类适应环境遗传机制

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