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當(dāng)期期刊封面。研究團(tuán)隊(duì)供圖海洋生物的起源、演化及多樣性形成機(jī)制一直是學(xué)界的研究熱點(diǎn)。在廣袤的海洋中，珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)以極高的生物多樣性脫穎而出，成為眾多海洋新生命的搖籃。近日，美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）以封面論文形式發(fā)表了中國科學(xué)院南海海洋研究所（以下簡稱南海海洋所）研究員林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)與合作者的最新研究成果。他們聚焦海龍科魚類對(duì)珊瑚共棲的適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制，成功解密珊瑚礁共棲物種形成與適應(yīng)進(jìn)化的遺傳調(diào)控機(jī)制，為生物多樣性研究提供了全新視角?！拔覀円缘湫偷纳汉鹘腹采锓N豆丁海馬為研究對(duì)象，解析了其體形小型化和擬態(tài)演化的關(guān)鍵遺傳因素，驗(yàn)證了hoxa2b基因?qū)︳~類頜面骨骼發(fā)育的重要調(diào)控功能，并首次提出珊瑚能驅(qū)動(dòng)共棲物種小型化的新觀點(diǎn)?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡吡謴?qiáng)對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》表示。PNAS編輯和審稿人對(duì)該研究給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為豆丁海馬是珊瑚礁共生的典型代表，研究團(tuán)隊(duì)基于詳實(shí)數(shù)據(jù)和深入分析，揭示了其獨(dú)特的小型化、擬態(tài)和免疫等遺傳特征，是一項(xiàng)十分有趣且有意義的工作。豆丁海馬與珊瑚共生之謎豆丁海馬是已知體形最小的硬骨魚類之一，成體全長僅1~2厘米，終生專性棲息在柳珊瑚上。與其他海馬不同，豆丁海馬沒有育兒袋結(jié)構(gòu)，胚胎植入雄魚體內(nèi)發(fā)育，形成了獨(dú)特的“雄性體內(nèi)懷孕”模式。為更好融入宿主柳珊瑚的環(huán)境，豆丁海馬全身覆蓋類似柳珊瑚的瘤狀結(jié)節(jié)，“長吻”退化，與柳珊瑚在視覺上幾乎融為一體，堪稱“偽裝大師”。然而，柳珊瑚分泌的毒素屬于自然界最致命的天然毒素之一，給豆丁海馬與柳珊瑚的零距離接觸帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。兩者之間獨(dú)特的附生關(guān)系是如何形成的，柳珊瑚又是如何驅(qū)動(dòng)豆丁海馬體形演化的，這些問題一直是學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。為了解開這些謎題，林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國康斯坦茨大學(xué)教授、南海海洋所特聘研究員Axel Meyer等人，對(duì)豆丁海馬進(jìn)行了多組學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)解析。研究發(fā)現(xiàn)，宿主珊瑚不僅“驅(qū)動(dòng)”豆丁海馬的偽裝能力演化，還顯著減弱其免疫能力，主要依靠珊瑚分泌的抗菌抗病毒活性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)免疫功能。論文共同第一作者、南海海洋所副研究員曲朦表示，在共生演化過程中，珊瑚分泌物對(duì)豆丁海馬的生存是一把“雙刃劍”。一方面，豆丁海馬的神經(jīng)傳導(dǎo)和離子通道相關(guān)基因發(fā)生了顯著的快速進(jìn)化，表明它們可能衍生出對(duì)珊瑚毒素更強(qiáng)的耐受或抵抗能力；另一方面，豆丁海馬能夠利用宿主珊瑚分泌物的免疫保護(hù)功能抵御外源病原體，這可能與豆丁海馬大量丟失免疫相關(guān)基因存在協(xié)同演化關(guān)系?！岸苟『ｑR的演化過程受到宿主珊瑚的影響。它采取‘免疫精簡’策略，既降低了能量消耗，又有效避免了胚胎著床過程中的免疫排斥反應(yīng)，有助于‘雄性體內(nèi)懷孕’模式的形成?！鼻Q，這種高度依賴宿主、通過主動(dòng)“精簡”自身基因組獲取生存優(yōu)勢的過程，符合生物學(xué)中的“黑皇后假說”，即生物舍棄某些“昂貴”功能，依賴“伙伴”提供?！靶坌詰言小钡亩苟『ｑR“該研究從構(gòu)思到發(fā)表歷經(jīng)約5年，最大難點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)樣品的獲取?！闭撐墓餐谝蛔髡?、南海海洋所博士后張穎懿表示。豆丁海馬稀有且無法人工養(yǎng)殖，很多生物學(xué)實(shí)驗(yàn)無法在其身上操作，因此，團(tuán)隊(duì)選擇線紋海馬作為替代品進(jìn)行發(fā)育生物學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，由于“雄性懷孕”，海龍科魚類均無法進(jìn)行CRISPR基因編輯操作，他們不得不使用模式物種斑馬魚進(jìn)行基因編輯后續(xù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。該研究發(fā)現(xiàn)，豆丁海馬基因組中丟失了大量與體形大小和頜面骨骼發(fā)育相關(guān)的保守非編碼區(qū)（CNE），它們能夠調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)模式，進(jìn)而影響頜面骨骼的生長發(fā)育過程。引人注目的是，hoxa2b基因發(fā)生了假基因化，即失去了功能?；贑RISPR基因編輯實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)敲除hoxa2b基因會(huì)導(dǎo)致魚類頜面骨骼發(fā)育畸形。由此，團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論：CNE丟失和關(guān)鍵基因（如hoxa2b）的功能突變，是驅(qū)動(dòng)豆丁海馬體形極度小型化和短吻表型的關(guān)鍵遺傳因素。遺傳學(xué)家、西班牙巴塞羅那大學(xué)教授Cristian Canestro指出：“在生命演化中，基因丟失現(xiàn)象十分普遍。但這項(xiàng)出色的研究提供了一個(gè)清晰例證，說明基因丟失有時(shí)反而能帶來益處，從而促成進(jìn)化上的創(chuàng)新和適應(yīng)性變化?！庇Ｑ笊飳W(xué)家Richard Smith表示：“該研究揭示了一種殘酷的現(xiàn)象。這些海馬之所以能夠成功繁衍，正是得益于它們具備的一些特征，但如今這些特征恰恰成為它們應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的最大弱點(diǎn)?！币坏┤驓夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)威脅到其特定的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)，豆丁海馬等依賴性物種將面臨嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)。海龍科魚類研究前景廣闊珊瑚礁生物物種多樣性和遺傳多樣性成因是生物學(xué)界核心問題之一。其中，復(fù)雜的生物共生關(guān)系是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)多樣性的關(guān)鍵支撐，除少數(shù)經(jīng)典共生（如蟲黃藻-珊瑚蟲）外，其他生物相互作用機(jī)制仍存在大量未知?！岸苟『ｑR與柳珊瑚的共生關(guān)系，是共生驅(qū)動(dòng)物種進(jìn)化的典型例子，為生物多樣性研究提供了新的理論和范式?！绷謴?qiáng)指出，豆丁海馬終生專性棲息在柳珊瑚上，柳珊瑚為其提供庇護(hù)，在長期共同演化中，豆丁海馬演化出與柳珊瑚高度相似的外表，這是數(shù)百萬年進(jìn)化留下的模仿“天賦”。作為進(jìn)化速率最快、多樣性最豐富的硬骨魚類群之一，海龍科魚類的奇特形態(tài)與繁殖方式使其成為研究全球擴(kuò)散與定殖模式的重要旗艦類群。多年來，林強(qiáng)團(tuán)隊(duì)圍繞海龍科物種適應(yīng)性進(jìn)化過程開展研究，前期已明確諸多復(fù)雜性狀的進(jìn)化與遺傳調(diào)控機(jī)制。如今，他們的研究不僅揭示了豆丁海馬與柳珊瑚之間的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制，還為生物相互作用驅(qū)動(dòng)的演化創(chuàng)新提供了新視角。研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步，他們會(huì)將視野拓展至整個(gè)海龍目，明確海龍目魚類物種演化歷史和地理分布格局特征，詮釋其適應(yīng)輻射規(guī)律和物種高度多樣化的成因；揭示其適應(yīng)演化規(guī)律，尤其是“雄性懷孕”模式的演化過程；探究其遺傳脆弱性特征，解析對(duì)未來氣候變化的響應(yīng)模式，提出物種多樣性保護(hù)策略。相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2423818122?(原載于《中國科學(xué)報(bào)》2025-09-09?第1版?要聞)