《《Science》:适应性进化帮助鱼类幸存于极端污染环境》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2019-05-21
  • 根据发表在《科学》(Science)杂志上的一项研究成果,大量种群、良好基因和特殊组合有助于解释德克萨斯州休斯顿海峡航道中的鳉鱼如何能够适应大多数其他物种通常会致命的毒素水平环境。

    加州大学戴维斯分校、贝勒大学的科学家及他们的同事想要揭开鳉鱼这一特例,以便更多地了解其他物种如何适应剧烈变化的环境。对于沿海沼泽栖息地中一些较大的鱼类,类似鳉鱼的鱼类是食物链的重要组成部分。大多数物种都无法在剧烈改变的环境中生存,通过研究幸存种类,可以更深入了解成功抵抗极端污染环境所需的条件。

    研究人员测定了生活在一系列毒性(来自清洁水、中度污染的水和污染严重的水)中的数百种海湾鱼类的基因组。他们正在寻找自然选择的方式,使物种能够从对污染高度敏感的鱼类迅速转变为对其具有极强抵抗力的鱼类。

    科学家们惊讶地发现,拯救这个墨西哥湾沿岸物种的适应性DNA来自大西洋沿岸的一种鳉鱼物种,这种物种可迅速形成高水平抗污染能力。但大西洋海岸的鳉鱼距离休斯顿种群至少1500英里,研究人员认为它们到海湾的迁移很可能是意外事件。非本地物种可能对本地物种和栖息地造成严重破坏。虽然绝大多数关于入侵物种的研究在于它们可能造成的环境破坏,但这项研究表明,在极少数情况下,它们也可以为密切相关的本地物种贡献有价值的遗传变异,从而起到进化救援机制的作用。

    海湾鳉鱼有许多其他物种没有的优点。数量众多的物种可以拥有高水平的遗传多样性,可以帮助它们适应快速变化。海湾鳉鱼已经具有最高水平的遗传多样性。鳉鱼这一实例为敞开遗传多样性研究的大门至关重要。这可能有助于在瞬息万变的未来为更多的进化“救援”奠定基础。

    (李亚清 编译)

    图片源自网络

  • 原文来源:https://www.ucdavis.edu/news/evolutionary-rescue-polluted-waters;https://science.sciencemag.org/content/364/6439/455
相关报告
  • 《环境砷污染与地球演化历史》

    • 来源专题:大气污染防治
    • 编译者:lhy
    • 发布时间:2020-05-09
    •   2020年4月29日,国际著名学术刊物《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,USA)在线发表了关于生命耐砷机制起源的研究论文"The Great Oxidation Event expanded the genetic repertoire of arsenic metabolism and cycling",揭示了地球砷环境演变与微生物抗砷分子机制进化的因果关系。该研究由中国科学院生态环境研究中心朱永官团队和美国佛罗里达国际大学Barry P. Rosen团队联合完成。德国亥姆霍兹环境研究中心博士后陈松灿和中国科学院生态环境研究中心研究员孙国新为共同第一作者,朱永官研究员和Barry P. Rosen教授为本文的通讯作者。  重构地球生命的起源和演化过程是地球环境科学和地球生物学研究中最具挑战的研究课题之一。生命从出现到进化需要不断适应有害的物理化学环境,包括重金属的毒害。砷是地球上分布最广的剧毒类金属,其氧化还原转化及环境行为影响着生命的演化进程。在地球演变历史中,砷的形态及其毒性随地表氧化还原状态的变化而不断改变。元古代早期(24.5–23.5亿年前)的大氧化事件(Great Oxidation Event,GOE)是地球大气首次大规模充氧事件,对砷生物地球化学循环产生了深远的影响。在大氧化事件之前,原始地球环境中氧气浓度极低,砷主要以三价还原态(如亚砷酸盐)的形式存在。随着氧气浓度的增加,环境中的三价砷被氧化为五价砷(如砷酸盐),导致原始生命首次暴露于五价砷的毒害之下,并成为威胁地球生命的一个重要环境因素。然而,生命是如何应对由大氧化事件导致的砷环境毒性的剧变尚不明确。  该研究利用系统进化基因组学(phylogenomics)、分子钟理论(molecular clock)和生物进化模型(macro-evolutionary model),估算了目前报道的所有微生物砷解毒基因的起源时间,重构了大氧化事件前后微生物抗砷系统的演变,并结合地球化学证据阐述了砷在环境中的变化与生命耐砷分子机制进化的关系。研究结果表明,在三价砷主导的原始地球环境中,微生物砷解毒系统由还原态砷的抗性机制构成。主要途径包括三价砷的外排和甲基化,分别由亚砷酸转运蛋白(Acr3)和砷甲基转移酶(ArsM)介导。为了缓解由大氧化事件导致的五价砷的毒害作用,微生物进化出砷酸盐还原酶(ArsC),并与原有的砷外排机制共同组装出了五价砷的解毒途径。随着大气游离氧的积累,氧气被微生物利用以抵抗砷的毒性。其中,需氧酶ArsI(碳-砷裂解酶)和ArsH(甲基砷氧化酶)介导抗砷途径的产生和演化,使得微生物砷解毒系统进一步扩张(图1)。  该联合团队长期致力于砷生物地球化学过程和微生物抗砷分子机制的研究,取得了一系列重要进展,相关成果已在Nature Plants,PNAS和Annual Review of Earth and Planetary Sciences等国际顶级学术期刊发表。本研究以微生物抗砷系统的进化为例,系统描绘了地球演化历史中生命对重金属环境毒性的适应过程,为阐明重金属元素循环、生命进化和地球演变之间的交互作用提供了新的视角。另外,该研究探索了新型“化石”—生物基因组在解决前沿进化生物学问题中的应用模式,所获得的结果对理解重金属污染环境下的生态学过程具有重要意义,为人类适应、调控、改造和治理污染环境提供一定的理论基础。  本项目研究得到了国家自然科学基金(41430858),中国科学院战略性先导专项B(XDB15020302和XDB15020402)及美国国立卫生研究院基金(GM55425和ES023779)的资助。
  • 《比较基因组学揭示深渊环境中鱼类嗅觉的适应性进化》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:liguiju
    • 发布时间:2019-12-20
    • 嗅觉感知作为化学感知的重要组成部分,在动物的生存和繁殖中起到重要的作用。鱼类通过精密调节的嗅觉系统识别并分辨水中众多的化学信息,为食物定位、危险躲避、亲缘识别及生殖洄游等行为提供至关重要的信息。海斗深渊(>6000m)具有高压、温差巨大、终年无光、食物匮乏等特殊极端条件,是常规生命形式的禁区,而狮子鱼这一类群在全球范围内的海斗深渊中均有发现,说明狮子鱼能够在如此极端的环境下成功的生存和繁衍。其中马里亚纳狮子鱼是目前发现的最深的脊椎动物,生存范围可达到8100m。但是,目前尚未有关于深渊环境下鱼类嗅觉的适应性进化研究报道。 动物的嗅觉基因家族的进化与其生存环境下的生态需求紧密相关。例如,嗅觉功能基因的数目的改变与水生和陆生环境的不同、食性的转变、功能依赖性的改变等密切相关。马里亚纳狮子鱼可以迅速的被投放的诱饵所吸引,表明其嗅觉在觅食中具有重要的功能。其在深渊的生态环境中属于捕食者,位于食物链的顶端,但在物种丰度和数量贫乏的深渊环境中,其专一的以少数几种甲壳类生物为食。另外,由于生存在黑暗无光的环境,其视觉能力发生了褪化。因此,马里亚纳狮子鱼对嗅觉功能的依赖性既可能会由于特化的专一性食性而减弱,也可能会向补偿视觉的退化而增强方向发生适应性进化。 为了探讨上述科学问题,中国科学院何舜平研究员团队查找并注释了9种鱼类的嗅觉受体(OR)和痕量胺受体(TAAR)基因家族,并重点对比马里亚纳狮子鱼与其浅海近缘物种细纹狮子鱼之间的差异。研究发现马里亚纳狮子鱼的OR基因家族发生了大量的丢失,并伴随着很高比例的假基因化。而TAAR基因家族基因的数目变化不大。系统发育分析结果表明,马里亚纳狮子鱼和细纹狮子鱼嗅觉基因家族的组成高度保守。同细纹狮子鱼相比,马里亚纳狮子鱼OR基因家族的亚家族数量相近,但每个亚家族中的OR基因数目明显减少,而TAAR基因家族的亚家族数目发生减少,但亚家族中的TAAR数量增加。尽管马里亚纳狮子鱼OR亚家族普遍是收缩的,仍发现有个别亚家族发生扩张,这种亚家族间独立的进化历程反映了不同OR亚家族基因在深渊生态环境中面临独立的选择压力。进一步的进化选择压力的分析显示,OR基因在马里亚纳狮子鱼中发生了松弛选择,其功能依赖性降低。而TAAR基因则受到正选择作用,这表明TAAR基因在马里亚纳狮子鱼适应深渊生态环境中仍具有重要的作用,符合其能够迅速感知动物腐败后释放的胺的现象。这项研究首次揭示了马里亚纳狮子鱼在占据深渊环境中嗅觉发生了简单但专一的适应性进化历程,为进一步了解深渊中生物的生态适应提供了重要的基础和见解。 这一研究结果,近日发表在GENES 杂志 (https://www_mdpi.xilesou.top/2073-4425/10/11/910)。研究工作由博士生姜海峰等人完成,研究得到国家科技攻关计划和国家自然科学基金的资助。