AI視頻 |“活化石”雀鱔，為何能將形態(tài)鎖定上億年？

▲研究揭示活化石魚(yú)類雀鱔形態(tài)變化緩慢的基因組學(xué)機(jī)制（視頻由AI生成）

“活化石”，用以描述在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)間里很少有物種形成，并且與化石記錄中的祖先之間幾乎沒(méi)有任何物理結(jié)構(gòu)上的差異，顯示出進(jìn)化停滯的生物。魚(yú)類代表了最多樣化的脊椎動(dòng)物群，存在著多種“活化石”物種，如腔棘魚(yú)、肺魚(yú)、雀鱔等。

這些譜系因特殊進(jìn)化地位，在硬骨魚(yú)類、四足類演化過(guò)程中長(zhǎng)期被視為關(guān)鍵的進(jìn)化節(jié)點(diǎn)。它們保留了大量來(lái)自地質(zhì)歷史深處的生物學(xué)信息，是探索魚(yú)類多樣化進(jìn)程、脊椎動(dòng)物關(guān)鍵演化創(chuàng)新（例如水生到陸生的轉(zhuǎn)變），以及基因組演化模式的重要研究對(duì)象。

近日，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所的研究團(tuán)隊(duì)，揭開(kāi)了“活化石”魚(yú)類雀鱔形態(tài)變化緩慢的基因組學(xué)機(jī)制。

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穩(wěn)定基因組與關(guān)鍵微染色體

雀鱔被稱為“活化石”，不僅因?yàn)橥庑蝺|年不變，更因?yàn)槠浠蚪M也保持著超乎想象的穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，即使分化已經(jīng)超過(guò)一億年，不同雀鱔物種的基因組結(jié)構(gòu)依然高度相似。

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，雀鱔的基因組結(jié)構(gòu)與四足類的相似度高于與真骨魚(yú)類的相似度，顛覆了學(xué)界對(duì)親緣關(guān)系的認(rèn)知。

其穩(wěn)定性的原因，部分源于雀鱔特有的染色體組織方式。雀鱔與鳥(niǎo)類相似，擁有大小不同的染色體，其中微染色體負(fù)責(zé)DNA修復(fù)、維持基因組穩(wěn)定和精確調(diào)控細(xì)胞的生死；這類微染色體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、演化速度也更緩慢。

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活化石的終極慢放

研究團(tuán)隊(duì)從基因序列、結(jié)構(gòu)重排和轉(zhuǎn)座子層面，追溯了雀鱔億年來(lái)保持穩(wěn)定的內(nèi)在原因——雀鱔基因組，仿佛被調(diào)至了“最低速”模式。

系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，除矛尾魚(yú)外，雀鱔擁有最短的進(jìn)化枝長(zhǎng)度，其核苷酸插入/缺失事件的發(fā)生率，在脊椎動(dòng)物中屬于最低水平，這意味著其基因序列本身變化就非常緩慢。

與其他脊椎動(dòng)物相比，雀鱔染色體重排事件發(fā)生率最低（平均每百萬(wàn)年僅0.5次），它的基因組結(jié)構(gòu)堪稱脊椎動(dòng)物演化的“化石模板”。

轉(zhuǎn)座子是驅(qū)動(dòng)基因組變異的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，雀鱔基因組中絕大多數(shù)轉(zhuǎn)座子家族已失活，且年輕、活躍的轉(zhuǎn)座子插入率和拷貝數(shù)，均為本次研究對(duì)比物種中最低。這種極低的轉(zhuǎn)座子活性，從源頭上減少了基因組“動(dòng)蕩”，是其維持穩(wěn)定的關(guān)鍵。

雀鱔基因組的演化停滯是全方位的，從最基礎(chǔ)的DNA序列變化速度，到大規(guī)模的染色體結(jié)構(gòu)，再到轉(zhuǎn)座子，均處于一種高度抑制、緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

▲已滅絕雀鱔的化石形態(tài)和現(xiàn)存的鱷雀鱔

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停滯的饋贈(zèng)

在野外環(huán)境中，白堊紀(jì)就已分化的不同屬雀鱔之間，仍能雜交并產(chǎn)生可存活的后代，這在自然界極為罕見(jiàn)。

研究發(fā)現(xiàn)，正是由于雀鱔基因組的演化速率極慢，關(guān)鍵基因和調(diào)控序列在漫長(zhǎng)的時(shí)間里變化極小，使得不同物種間的遺傳系統(tǒng)仍能相互識(shí)別并協(xié)同工作，這為這種雜交提供了可能。

群體基因組分析顯示，盡管不同雀鱔間存在明顯的譜系分化，但歷史上仍發(fā)生過(guò)有限的基因流事件，這種持續(xù)的雜交能力，或源于它們長(zhǎng)期的基因組結(jié)構(gòu)保守與低分子不相容性。

這項(xiàng)研究揭示，深度的基因組停滯，使得雀鱔在分化上億年后仍能保留跨物種雜交的罕見(jiàn)能力，成為研究漫長(zhǎng)演化進(jìn)程中物種如何形成與維持的絕佳“時(shí)光膠囊”。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所

責(zé)任編輯：曹旸