灣區(qū)時訊 近日，由中國科學院南海海洋研究所林強研究員團隊和浙江海洋大學高天翔教授團隊等合作完成的口孵魚類親代撫育行為遺傳調(diào)控機制的最新結(jié)果以Article形式在線發(fā)表在The Innovation Life（《創(chuàng)新生命》）上。 

親代撫育行為的演化代表了生物個體在適應環(huán)境方面的重大突破，其形成機制一直是行為學、進化生態(tài)學等領域關注的熱點問題。口孵是硬骨魚類親代撫育的一種特殊形式，然而目前關于口孵魚類親代撫育行為的遺傳調(diào)控機制研究甚少。

圖1.天竺鯛科魚類實現(xiàn)口孵育兒行為的遺傳基礎

本研究以典型口孵魚類細條銀口天竺鯛(Jaydia lineata)為研究對象，對其育兒行為的遺傳基礎進行了探究。首先組裝了該物種染色體水平基因組，通過多物種的分子系統(tǒng)學研究，發(fā)現(xiàn)魚類口孵行為最早可追溯到約2.5億年前，而口孵的天竺鯛科魚類的進化分歧時間約為9, 700萬年前。同時發(fā)現(xiàn)魚類繁殖模式多樣化（雌性卵胎生、雄性育兒、卵生）主要集中于魚類物種多樣性爆發(fā)的白堊紀，揭示了魚類繁殖性狀與物種多樣性的共同演化，以及口孵行為的多次獨立進化(圖2)。

圖2.親代撫育魚類的系統(tǒng)發(fā)育特征和繁殖策略

大約四分之一的魚類存在親代撫育行為，口孵又是硬骨魚親代撫育的一種特殊形式，至少9科魚類中存在口孵行為。本研究首先選擇具有親代撫育行為（雌性卵胎生、雄性卵胎生、雌性口孵和雄性口孵）的代表性硬骨魚類，通過全基因組水平的趨同進化分析，發(fā)現(xiàn)多個基因如rab34, grm2等在親代撫育物種譜系中具有顯著的遺傳趨同信號，這些基因在胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。進一步聚焦于口孵魚類，發(fā)現(xiàn)相對于普通卵生魚類而言，口孵魚類的編碼基因普遍表現(xiàn)出較快的進化速率。神經(jīng)遞質(zhì)催產(chǎn)素（Oxytocin，魚類中直系同源基因命名為isotocin）被稱為“愛的荷爾蒙”。全基因組趨同分析顯示口孵魚類催產(chǎn)素通路具有明顯的適應性遺傳突變，催產(chǎn)素信號通路相關基因在介導親代撫育行為中發(fā)揮至關重要的作用，如CD38、IP3R等不僅存在氨基酸位點趨同變異，同時均受到顯著正選擇。神經(jīng)肽類物質(zhì)在調(diào)控動物社會行為，如親母行為、親代撫育行為中發(fā)揮重要作用。比較轉(zhuǎn)錄組分析顯示，神經(jīng)肽及其受體信號通路在天竺鯛雌雄個體間存在顯著差異；與不具備口孵行為的彈涂魚相比，雄性之間也存在明顯差異。

圖3.口孵魚類親代撫育行為的遺傳調(diào)控機制

口孵育兒行為雖增加了后代的存活率，但代價卻是將親本置于饑餓、免疫功能改變的特殊生理狀態(tài)。本研究通過比較基因組和轉(zhuǎn)錄組分析共同揭示了天竺鯛在投資后代和維持自身健康之間的微妙平衡，并且發(fā)現(xiàn)了天竺鯛的免疫性別二態(tài)性，強調(diào)了雄性親本口孵行為對免疫相關基因表達的影響。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)口腔黏膜不僅特異性表達一些免疫相關基因（如IL-17a, S100A9, chemokine28），且首次證實口腔黏膜有孵化酶基因（hce, hce1-like, hce2-like）表達，揭示了口腔黏膜在保障口腔中胚胎正常發(fā)育和免疫防護等方面的獨特生物學功能（圖4）。

圖4.細條銀口天竺鯛口腔黏膜的獨特生物學功能及其特異性免疫反應

本研究通過揭示魚類育兒行為的遺傳基礎，為我們深入了解魚類進化過程和復雜行為驅(qū)動機制提供了寶貴的見解。理解基因變異如何影響行為演化不僅有助于加強了我們對自然界的認識，還對保護生物學等領域具有重要意義。

中國科學院南海海洋所張艷紅研究員、王信副研究員為本文共同第一作者，林強研究員和高天翔教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金杰青項目（延續(xù)）、國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)項目等聯(lián)合資助。

相關論文信息：Mouthbrooding behavior and sexual immune dimorphism in Indian perch Jaydia lineata. https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100066

通訊員/張艷紅 王沐眾 徐曉璐

責任編輯/劉秀