跳跃基因——棘鱼类征服淡水的秘密武器｜Science述评

来源：ScienceAAAS

评述论文：A key metabolic gene for recurrent freshwater colonization and radiation in fishes（Science 31 May 2019: Vol 364, Issue 6443）

Jumping gene gave fish a freshwater start（Science 31 May 2019: Vol 364 Issue 6443）

在自然界中，空白的生态位通常可以为物种产生分化提供生态机会，同时，众多案例表明，物种发生辐射适应（同源或近缘的物种为适应不同环境而产生在形态、生理或行为上各不相同的种的过程）通常发生于其入侵未利用的栖息地之后[1]。当然，这一过程并没有那么简单，对于鱼类来说，栖息地由海洋和淡水环境互相转变的事件在历史上反复发生，而仅有极少种类的鱼类实现了对海水和淡水（不同生态位）的征服。棘鱼类（stickleback）就是其中一个优秀的案例，棘鱼类原本是海洋鱼类，随着时间推移，类群内部分物种实现了淡水适应；而类群内不同支系对于海-淡水表现出不同适应情况，意味着其实现了对不同生态位的征服。作为一类在淡水和海水均可适应生存的鱼类，先前就有研究人员试图对这一现象进行解析，而研究结果表明，适应性分化基因、倒位相关的离子通道及形态因素对其适应海水和淡水具有重要意义[2-3]。

本期Science中，Ishikawa等研究人员以棘鱼类为研究对象，从饮食适应的角度出发，将生态、生理以及遗传因素串联在一起为解析“棘鱼类征服淡水”这一现象提供了有力证据。棘鱼类，广布于世界各地，既有淡水适应类群也具有海水适应类群。本研究重点调查三类物种，三棘鱼（Gasterosteus aculeatus）是一类起初海洋适应随后适应淡水的类群，与其亲缘关系很近的日本海棘鱼（Gasterosteus nipponicus）却一直未能实现淡水适应，此外，淡水适应的太平洋棘鱼（Pacific Ocean stickleback）和日本海棘鱼又存在明显同域分布情况。虽然后两者存在分布区上的重叠，但是利用简化基因组数据(ddRAD-seq)构建系统发育关系明显表现出，棘鱼类群明显依照不同适应性产生了分化（而非地点），分化时间大约在0.68到1.5个百万年之间（图1）。

图1. 日本海采样点，形态差异分析以及利用ddRAD-seq数据构建的三棘鱼、日本海棘鱼、太平洋棘鱼的系统发育关系

这样的系统发育关系表明，棘鱼类在适应淡水上出现了明显分化，在抛开盐度的前提下，相比于淡水生境，海水环境所能给予棘鱼的饮食多富含DHA（一种对大脑和神经生长发育非常重要的ω-3不饱和脂肪酸）。以此为出发点，研究人员首先进行了饮食耐受性实验，在日本海棘鱼和太平洋棘鱼受精后的幼体发育过程中，通过给予海洋食物（marine food）和不含DHA卤虫类（DHA-free Artemia），研究人员发现淡水适应鱼类表现出更高的存活率且在DHA-free组中太平洋棘鱼含有DHA量明显高于日本海棘鱼（图2. A&B&C）。随后利用重测序数据对两类鱼进行分析，一个在DHA生物合成中执行催化去饱和功能的酶编码基因Fatty acid desaturase 2 (Fads2)引起了研究人员的注意, 他们发现在太平洋棘鱼中这一基因的拷贝数明显高于日本海棘鱼，同时，RNA测序也反映了相同的情况（图2. D&E）。通过转基因手段直接在日本海棘鱼对Fads2基因进行过表达，结果发现，具有Fads2基因表达的个体在DHA-free卤虫饲养条件下确实表现出更高的生存率，且体内DHA含量也存在明显差异（图2. F&G）。

图2. 太平洋棘鱼和日本海棘鱼在海洋食物-不含DHA的卤虫类控制条件下生存情况和DHA体内含量（A-C），重测序和RNA测序表明Fads2拷贝数情况（D-E）以及日本海棘鱼转基因表达个体生存率以及体内含量差异（F-G）

为了确定拷贝数目的确存在差异，研究人员随后利用荧光原位杂交技术（FISH）将Fads2基因在染色体进行了定位，结果表明在日本海棘鱼中，只存在一个位点，位于X染色体上连锁组19（LG19），而在太平洋棘鱼中则具有两个位点连锁组12和19（LG12和LG19），同时，作为外群的棘鱼Gasterosteus wheatlandi（海水适应）也仅在LG19发现了Fads2基因定位，因此LG19位点应为Fads2基因的祖先位点（图3. A）。随后在针对LG12位点序列分析时发现，在LG12位点除了包含Fads2基因还包含有一些转座子于其中，而G. wheatlandi和G. nipponicus在此位点虽然也具有转座子但不含有Fads2基因（图3. B）。这可能暗示了Fads2是由转座子介导并实现在LG12位点发生“插入-删除”过程。

图3.日本海棘鱼、太平洋棘鱼以及外群G. wheatlandi中Fads2基因在基因组定位情况

基于以上研究内容，已经基本确定“棘鱼类征服淡水”或是由于跳跃基因（转座子）的“复制且保留的转座行为”增加了关键基因Fads2在基因组的拷贝数，通过影响代谢能力实现海水鱼向淡水扩散及适应生存。针对这一论断，研究人员又进一步对于九棘鱼（Pungitius属）、条鳍鱼类（ray-finnedfishes）以及其他国家和地区对海-淡水具有不同适应的鱼类进行了Fads2基因拷贝数调查。结果进一步证明，Fads2基因拷贝数，对于鱼类海-淡水适应具有重要的影响作用。

同期《Science》杂志上，Jesse N. Weber和Wenfei Tong以Jumping gene gave fish a freshwater start为题对此文进行了评论，在二人看来，本文没有受限于先前研究多从形态适应方向进行解析，而是从代谢途径这一新的角度进行问题解析，这一解析问题的方式具有新颖性且研究明确了Fads2基因的拷贝数与海-淡水适应之间的关系，对于鱼类海-淡水适应性研究具有深刻意义。

不过，其也指出，在Ishikawa等人的研究内提到Fads2实现复制的时间大约在80万年前，而化石证据显示，棘鱼类淡水适应可能早于Fads2基因复制时间[4]，这或许暗示了除此基因外，在最初的淡水适应过程中仍存在有其他的关键因素尚未被发现。

关于Fads2基因拷贝数如何增加的，理论上，杂交和基因复制行为都有可能，不过其二人认为，Ishikawa等人利用了非常特别的转座子（“跳跃基因”）来作为解释拷贝数增加的情况并利用分子证据加以证明，结果足以说明，转座子很有可能在棘鱼类中是起到这一关键作用的。

最后，两人认为这一案例（Ishikawa等人研究明确了辐射适应发生可以由转座子介导代谢相关基因拷贝数的变化而推动）在脊椎动物中是非同寻常的。同时，这一案例为了解物种适应不同环境的转变，查明关键遗传变异的相关研究提供了新的思路与良好参考。

参考文献

1. Schluter D. The Ecology of Adaptive Radiation[J]. Heredity, 2000,86(6):749-750.

2.  Barrett R D H , Rogers S M , Schluter D . Natural Selection on a Major Armor Gene in Threespine Stickleback[J]. Science, 2008,322(5899):255-257.

3. Jones F C , Grabherr M G , Chan Y F , et al. The genomic basis of adaptive evolution in three spine stickleback[J]. Nature, 2012,484(7392):55-61.

4. Magurran A. The evolutionary biology of the threespine stickleback: edited by M.A. Bell and S.A. Foster Oxford University Press, 1994. £65.00 hbk(592 pages) ISBN 0 1985 7728 1[J]. Trends in Ecology & Evolution, 1994,9(3):111–112.