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水生所揭示鯉科魚類基因組加倍促進血氧系統表型多樣性

2020.9.22

　　生物的生存、繁殖、以及分布或多或少都受到環境氧的影響。生物的正常有氧代謝有賴于保持氧的需求（代謝）和供應（儲存和傳遞）的平衡關系。而實現這一平衡關系主要依靠生物體內特異的血氧傳遞系統。血氧系統的多樣化不僅體現了物種在生理上的多樣性，也從側面反映了物種對環境的適應能力。在進化史上，基因組加倍是生物表型革新的重要貢獻者。眾多研究已經揭示發生在脊椎動物進化早期的兩次古老的全基因組加倍事件促進了生物表型的多樣化，進而推動生物的適應進化歷程。然而，對于近期基因組加倍事件的意義及作用則知之甚少，特別是從分子遺傳層面上反應物種在進化過程中對環境氧的適應能力變化。

　　為了探討近期基因組加倍對魚類氧適應能力上的貢獻，中國科學院水生生物研究所魚類系統學與生物地理學實驗室研究人員對具代表性的鯉科魚類血紅蛋白基因的組成和表達模式做了詳細探究。研究論文Recent genome duplications facilitate the phenotypic diversity of Hb repertoire in the Cyprinidae在期刊Science China Life Sciences上在線發表。

　　鯉科魚類種類繁多，形態和生理特征在物種間存在較大差異。近期的基因組加倍事件在鯉科魚類的多個類群中發生已經得到證實。研究人員收集了鯉科魚類中具有代表性的二倍體和多倍體物種的基因組和轉錄組數據。通過對血紅蛋白基因的重注釋、共線性分析、進化分析和分子保守性的對比分析，研究人員再次證實近期基因組加倍事件在多倍體物種中的發生，同時也發現血紅蛋白基因在二倍體物種中出現了較為保守的進化；對于多倍體物種而言，近期的基因組加倍則促進了血紅蛋白基因表型的多樣性進化，研究人員認為這些復雜模式與基因組加倍后的染色體重組、基因片段的缺失等事件有關。

　　為進一步深入研究血紅蛋白基因的表達，研究人員將得到的結果同基因表達數據進行整合，結果顯示血紅蛋白基因的表達存在發育階段性調控特征：二倍體類群的早期發育階段表達的血紅蛋白基因主要位于“MN”簇的3’端，且基因的排列總體上以hbα和hbβ類型基因交替并以“tail-to-head”的形式出現，而發育后期的表達基因則基本呈相反模式；對于多倍體物種而言，這些特征不再明顯，特別是在多倍體物種中出現了基因表達的重復性進化轉變。研究人員認為，對于經歷了近期基因組加倍的多倍體物種而言，可以預見性的會出現基因數量上的陡增，但是研究結果也顯示基因加倍后的非功能化（假基因、缺失等）進一步導致了基因進化的復雜性，并且可能促進基因在功能和表達模式上發生轉變，從而為物種更好的適應環境提供基礎。

　　結合對已經研究過的二倍體和多倍體物種的研究結果，研究人員推測，多倍體物種中較多的血紅蛋白基因在不同發育階段的表達，不僅體現了其個體發育過程中的生理變化，也從側面發映出其對外界氧環境的較強適應能力。

　　該研究得到了國家自然科學基金委員會重大研究計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）以及水生所等項目資助。