研究揭示鯉科魚類基因組加倍促進血氧系統(tǒng)表型多樣性

生物的生存、繁殖、以及分布或多或少都受到環(huán)境氧的影響。生物的正常有氧代謝有賴于保持氧的需求（代謝）和供應（儲存和傳遞）的平衡關(guān)系。而實現(xiàn)這一平衡關(guān)系主要依靠生物體內(nèi)特異的血氧傳遞系統(tǒng)。血氧系統(tǒng)的多樣化不僅體現(xiàn)了物種在生理上的多樣性，也從側(cè)面反映了物種對環(huán)境的適應能力。在進化史上，基因組加倍是生物表型革新的重要貢獻者。眾多研究已經(jīng)揭示發(fā)生在脊椎動物進化早期的兩次古老的全基因組加倍事件促進了生物表型的多樣化，進而推動生物的適應進化歷程。然而，對于近期基因組加倍事件的意義及作用則知之甚少，特別是從分子遺傳層面上反應物種在進化過程中對環(huán)境氧的適應能力變化。

為了探討近期基因組加倍對魚類氧適應能力上的貢獻，中國科學院水生生物研究所魚類系統(tǒng)學與生物地理學實驗室研究人員對具代表性的鯉科魚類血紅蛋白基因的組成和表達模式做了詳細探究。研究論文Recent genome duplications facilitate the phenotypic diversity of Hb repertoire in the Cyprinidae在期刊Science China Life Sciences上在線發(fā)表。

鯉科魚類種類繁多，形態(tài)和生理特征在物種間存在較大差異。近期的基因組加倍事件在鯉科魚類的多個類群中發(fā)生已經(jīng)得到證實。研究人員收集了鯉科魚類中具有代表性的二倍體和多倍體物種的基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。通過對血紅蛋白基因的重注釋、共線性分析、進化分析和分子保守性的對比分析，研究人員再次證實近期基因組加倍事件在多倍體物種中的發(fā)生，同時也發(fā)現(xiàn)血紅蛋白基因在二倍體物種中出現(xiàn)了較為保守的進化；對于多倍體物種而言，近期的基因組加倍則促進了血紅蛋白基因表型的多樣性進化，研究人員認為這些復雜模式與基因組加倍后的染色體重組、基因片段的缺失等事件有關(guān)。

為進一步深入研究血紅蛋白基因的表達，研究人員將得到的結(jié)果同基因表達數(shù)據(jù)進行整合，結(jié)果顯示血紅蛋白基因的表達存在發(fā)育階段性調(diào)控特征：二倍體類群的早期發(fā)育階段表達的血紅蛋白基因主要位于“MN”簇的3’端，且基因的排列總體上以hbα和hbβ類型基因交替并以“tail-to-head”的形式出現(xiàn)，而發(fā)育后期的表達基因則基本呈相反模式；對于多倍體物種而言，這些特征不再明顯，特別是在多倍體物種中出現(xiàn)了基因表達的重復性進化轉(zhuǎn)變。研究人員認為，對于經(jīng)歷了近期基因組加倍的多倍體物種而言，可以預見性的會出現(xiàn)基因數(shù)量上的陡增，但是研究結(jié)果也顯示基因加倍后的非功能化（假基因、缺失等）進一步導致了基因進化的復雜性，并且可能促進基因在功能和表達模式上發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而為物種更好的適應環(huán)境提供基礎(chǔ)。

結(jié)合對已經(jīng)研究過的二倍體和多倍體物種的研究結(jié)果，研究人員推測，多倍體物種中較多的血紅蛋白基因在不同發(fā)育階段的表達，不僅體現(xiàn)了其個體發(fā)育過程中的生理變化，也從側(cè)面發(fā)映出其對外界氧環(huán)境的較強適應能力。