近日，中国科学院海洋研究所李富花团队通过对一种蔓足类——龟足基因组的破译和比较基因组学分析，首次发现蔓足类存在古老的基因组加倍事件，这是继鲎和蛛形纲等无脊椎动物后新发现的一个WGD事件，为解析蔓足类起源演化历程提供了关键的分子依据。相关研究成果发表于国际学术期刊Journal of Advanced Research和Nature Index期刊Proceedings of the Royal Society B上。
蔓足类隶属于甲壳动物亚门，与虾、蟹等甲壳动物是近亲。但是因其拥有与其他甲壳动物明显不同的生物学表型（钙质化外壳、腹部缺失、身体颠倒、附肢发育成蔓足等）和生活习性（潮间带附着生长生活方式），是甲壳动物最为独特的一个类群。达尔文曾花八年时间研究它们，以完善其生物进化论，其精心研究过程史称“八年藤壶”。然而直到现在，藤壶的起源和演化历史以及其独特生物学表型的形成机制仍不清晰。
全基因组加倍（WGD）是基因组进化过程中最剧烈的单一性事件，尽管在脊椎动物和植物中报道较多，但在无脊椎动物中却极为罕见。WGD使基因组内的所有序列都发生重复，极大地促进了物种的分化和新表型的产生，甚至与某些物种的起源密切相关。
研究表明，新发现的这一WGD事件与蔓足类独特的生物学表型和特殊生活习性的形成密切相关。由WGD产生的加倍的Hox基因Antp和Ubx与蔓足的形成密切相关；而加倍形成的环境胁迫响应因子——CYP450的新功能化或亚功能化与蔓足类潮间带附着生长生活方式的适应性进化密切相关。
鉴于蔓足类和贝类等软体动物具有极为相似的生物学表征，如钙质化外壳和附着生长生活方式，研究人员开展了蔓足类和贝类全基因范围趋同进化的研究。比较基因组学分析发现蔓足类和贝类中大量钙质化外壳形成相关基因家族呈现趋同的扩张现象，包括两类生物矿化关键基因：碱性磷酸酶（ALP）和碳酸酐酶（CA），以及部分基质蛋白基因和离子运输基因。这些基因的扩张均分别发生于蔓足类和贝类生物的祖先基因组上，与生物矿化的生物学机制形成时期（寒武纪）接近，揭示了两个类群的钙质化外壳可能起源于同一时期，而关键基因的新功能化促进了新表型的产生。与钙质化外壳形成不同，蔓足类和贝类附着生活方式的起源与新基因的产生有关。蔓足类显著扩张的表皮蛋白可能是其独特的一类基质蛋白，揭示其钙质化外壳可能起源于其几丁质表皮系统。
中国科学院海洋研究所袁剑波副研究员等为文章第一作者，李富花研究员等为文章通讯作者。研究得到了国家自然科学基金等项目资助。
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
