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《細(xì)胞》雜志刊登兩篇論文揭示脊椎動(dòng)物水生到陸生演化過程中的遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)

發(fā)表于 2025-12-08 13:53:33 來源：桑間濮上網(wǎng)

原始輻鰭魚已經(jīng)具備大量陸生特性相關(guān)的細(xì)胞新基關(guān)鍵基因組元件（供圖：畢旭鵬，張國(guó)捷，雜志 Brian Choo）

原始輻鰭魚已經(jīng)具備大量陸生特性相關(guān)的刊登關(guān)鍵基因組元件（供圖：畢旭鵬，張國(guó)捷，兩篇論文 Brian Choo）

非洲肺魚基因組為理解脊椎動(dòng)物水生陸生轉(zhuǎn)變提供了重要橋梁。揭示脊椎（供圖：王堃，動(dòng)物到陸的遺王文）

非洲肺魚基因組為理解脊椎動(dòng)物水生陸生轉(zhuǎn)變提供了重要橋梁。水生生演（供圖：王堃，化過王文）
（神秘的程中傳創(chuàng)礎(chǔ)地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所：2021年2月5日凌晨，《細(xì)胞》雜志（Cell）在線發(fā)表了題目分別為“African lungfish genome sheds light on 細(xì)胞新基the vertebrate water-to-land transition”和“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”兩篇研究論文。兩篇“姊妹”論文分別解析了現(xiàn)生肉鰭魚類中與四足動(dòng)物親緣關(guān)系最近的雜志非洲肺魚、以及原始輻鰭魚類塞內(nèi)加爾多鰭魚、刊登匙吻鱘、兩篇論文弓鰭魚和鱷雀鱔共五個(gè)物種的揭示脊椎基因組。兩篇論文交叉整合基因組學(xué)、動(dòng)物到陸的遺進(jìn)化生物學(xué)、魚類學(xué)、古生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科，分別從不同角度揭示了脊椎動(dòng)物水生到陸生的轉(zhuǎn)變之謎。
兩篇論文的研究工作由西北工業(yè)大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所，昆明動(dòng)物研究所、古脊椎動(dòng)物與古人類研究所等國(guó)內(nèi)外多家單位協(xié)作完成，中科院古脊椎所朱敏研究員、朱幼安副研究員作為古生物學(xué)背景的合作者參與了上述兩篇論文的工作，其中朱敏研究員為原始輻鰭魚類基因組論文的共同通訊作者。
脊椎動(dòng)物從水生到陸生是脊椎動(dòng)物演化史上的一次飛躍，也是脊椎動(dòng)物演化中最重要的科學(xué)問題之一。脊椎動(dòng)物登陸事件發(fā)生于有頜類中的硬骨魚類。現(xiàn)生硬骨魚類包含肉鰭魚類和輻鰭魚類。這兩個(gè)類群中物種數(shù)量最為繁盛的是肉鰭魚類中的四足動(dòng)物（成功登陸的脊椎動(dòng)物類群）以及輻鰭魚類中的真骨魚類。相對(duì)于這兩個(gè)最為繁盛的類群，硬骨魚類演化樹基部各支系的現(xiàn)生代表，如拉蒂邁魚、肺魚、多鰭魚、弓鰭魚、雀鱔、鱘等的物種數(shù)稀少，但卻隱藏著祖先演化所遺留的痕跡，有“活化石”、“古代魚”之稱。
在第一篇論文中，中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所王文研究員及合作者報(bào)道了對(duì)非洲肺魚基因組的解析和研究，非洲肺魚擁有所有生物中迄今得到解析的最龐大基因組，包含高達(dá)400多億對(duì)堿基（40 Gb），是人類基因組（3Gb）的10多倍。對(duì)肺魚基因組的研究表明，脊椎動(dòng)物從水生到陸生的演化經(jīng)歷了三步重要的遺傳創(chuàng)新過程。空氣呼吸能力和空氣嗅覺的分子基礎(chǔ)在肉鰭魚類和輻鰭魚類的共同祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，而輻鰭魚類中的真骨魚類則丟失了這一特性，屬于更為特化的類群。隨后，肉鰭魚類的祖先中出現(xiàn)了更多呼吸相關(guān)基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進(jìn)一步加強(qiáng)。最終，四足動(dòng)物演化出了更多基因和功能元件，從而具備了完備的空氣呼吸能力，成功擺脫水的桎梏。與四肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)的功能也呈現(xiàn)漸進(jìn)式創(chuàng)新的特點(diǎn)，四足動(dòng)物的肱骨與原始輻鰭魚類的后基鰭骨為同源器官，橈骨則可能從肺魚和四足動(dòng)物祖先開始起源，五指/趾則從四足動(dòng)物開始起源。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了大腦、心臟等多個(gè)器官在登陸過程中的遺傳變異基礎(chǔ)。
在另外一篇論文的工作中，中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所張國(guó)捷研究員及合作者圍繞原始輻鰭魚類五個(gè)代表物種的基因組，分析研究四足動(dòng)物對(duì)陸地生活的功能在魚類中的演化基礎(chǔ)。陸生脊椎動(dòng)物起源過程中伴隨著的兩個(gè)重大適應(yīng)性功能形態(tài)演化事件，即適應(yīng)水中運(yùn)動(dòng)的魚鰭演化為適應(yīng)陸地運(yùn)動(dòng)的四肢，及用鰓在水中呼吸演化為用肺呼吸空氣。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控四肢運(yùn)動(dòng)靈活性的基因功能元件可能在硬骨魚類共同祖先即已出現(xiàn)，這些元件在真骨魚類中卻特化丟失了，但在現(xiàn)生原始輻鰭魚類和肉鰭魚類中保留下來。這些元件為四足動(dòng)物的四肢演化提供了重要遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)。而肺的功能形態(tài)和遺傳基礎(chǔ)的起源也同樣可以追溯到所有硬骨魚類的共同祖先，這一時(shí)期的‘原肺’在多鰭魚和肉鰭魚類中繼續(xù)演化成更為成熟的肺，而在大部分現(xiàn)代硬骨魚類中特化為魚鰾。此外，陸生脊椎動(dòng)物的出現(xiàn)還伴隨著心肺系統(tǒng)從單循環(huán)到雙循環(huán)的協(xié)同演化過程。在雙循環(huán)系統(tǒng)演化中起到重要調(diào)節(jié)功能的基因元件也能在多鰭魚甚至軟骨魚類中找到，說明一些非常古老的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)為脊椎動(dòng)物水生到陸生的演化提供了重要的遺傳和功能創(chuàng)新基礎(chǔ)。上述研究成果對(duì)理解脊椎動(dòng)物從水生到陸生的演化機(jī)制和歷程具有里程碑意義。
論文鏈接：
https://authors.elsevier.com/c/1cXATL7PXezJC
https://authors.elsevier.com/c/1cX5eL7PXezIx

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