近日，中國科學(xué)院海洋研究所李富花團(tuán)隊(duì)通過對一種蔓足類——龜足基因組的破譯和比較基因組學(xué)分析，首次發(fā)現(xiàn)蔓足類存在古老的基因組加倍事件，這是繼鱟和蛛形綱等無脊椎動物后新發(fā)現(xiàn)的一個WGD事件，為解析蔓足類起源演化歷程提供了關(guān)鍵的分子依據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Advanced Research和Nature Index期刊Proceedings of the Royal Society B上。
蔓足類隸屬于甲殼動物亞門，與蝦、蟹等甲殼動物是近親。但是因其擁有與其他甲殼動物明顯不同的生物學(xué)表型（鈣質(zhì)化外殼、腹部缺失、身體顛倒、附肢發(fā)育成蔓足等）和生活習(xí)性（潮間帶附著生長生活方式），是甲殼動物最為獨(dú)特的一個類群。達(dá)爾文曾花八年時間研究它們，以完善其生物進(jìn)化論，其精心研究過程史稱“八年藤壺”。然而直到現(xiàn)在，藤壺的起源和演化歷史以及其獨(dú)特生物學(xué)表型的形成機(jī)制仍不清晰。
全基因組加倍（WGD）是基因組進(jìn)化過程中最劇烈的單一性事件，盡管在脊椎動物和植物中報(bào)道較多，但在無脊椎動物中卻極為罕見。WGD使基因組內(nèi)的所有序列都發(fā)生重復(fù)，極大地促進(jìn)了物種的分化和新表型的產(chǎn)生，甚至與某些物種的起源密切相關(guān)。
研究表明，新發(fā)現(xiàn)的這一WGD事件與蔓足類獨(dú)特的生物學(xué)表型和特殊生活習(xí)性的形成密切相關(guān)。由WGD產(chǎn)生的加倍的Hox基因Antp和Ubx與蔓足的形成密切相關(guān)；而加倍形成的環(huán)境脅迫響應(yīng)因子——CYP450的新功能化或亞功能化與蔓足類潮間帶附著生長生活方式的適應(yīng)性進(jìn)化密切相關(guān)。
鑒于蔓足類和貝類等軟體動物具有極為相似的生物學(xué)表征，如鈣質(zhì)化外殼和附著生長生活方式，研究人員開展了蔓足類和貝類全基因范圍趨同進(jìn)化的研究。比較基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)蔓足類和貝類中大量鈣質(zhì)化外殼形成相關(guān)基因家族呈現(xiàn)趨同的擴(kuò)張現(xiàn)象，包括兩類生物礦化關(guān)鍵基因：堿性磷酸酶（ALP）和碳酸酐酶（CA），以及部分基質(zhì)蛋白基因和離子運(yùn)輸基因。這些基因的擴(kuò)張均分別發(fā)生于蔓足類和貝類生物的祖先基因組上，與生物礦化的生物學(xué)機(jī)制形成時期（寒武紀(jì)）接近，揭示了兩個類群的鈣質(zhì)化外殼可能起源于同一時期，而關(guān)鍵基因的新功能化促進(jìn)了新表型的產(chǎn)生。與鈣質(zhì)化外殼形成不同，蔓足類和貝類附著生活方式的起源與新基因的產(chǎn)生有關(guān)。蔓足類顯著擴(kuò)張的表皮蛋白可能是其獨(dú)特的一類基質(zhì)蛋白，揭示其鈣質(zhì)化外殼可能起源于其幾丁質(zhì)表皮系統(tǒng)。
中國科學(xué)院海洋研究所袁劍波副研究員等為文章第一作者，李富花研究員等為文章通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
文章信息：
(1) Jianbo Yuan#, Xiaojun Zhang#, Xiaoxi Zhang#, Yamin Sun#, Chengzhang Liu Shihao Li, Yang Yu, Chengsong Zhang, Songjun Jin, Min Wang*, Jianhai Xiang*, Fuhua Li*. An ancient whole-genome duplication in barnacles contributes to their diversification and intertidal sessile life adaptation. Journal of Advanced Research. 2023, In press.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123223002643
(2) Jianbo Yuan, Xiaojun Zhang*, Shihao Li, Chengzhang Liu, Yang Yu, Xiaoxi Zhang, Jianhai Xiang and Fuhua Li*. Convergent evolution of barnacles and molluscs sheds lights in origin and diversification of calcareous shell and sessile lifestyle. Proceedings of the Royal Society B. 2022, 289: 20221535.
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2022.1535
蔓足類基因組加倍及其潮間帶適應(yīng)性進(jìn)化
蔓足類和貝類趨同性生物學(xué)表型
蔓足類趨同進(jìn)化分子特征
