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1 月鱼基因组阐述水生生物恒温性 2021-12-06

恒温是一种能够产生和保存代谢热量,维持高于周围环境的体温的能力。恒温常见于哺乳动物和鸟类。由于水的高导热性,鱼类在保持体温方面面临着巨大的挑战,只有不到0.1%的鱼类能够保存体内产生的热量。恒温性鱼类具有强的游泳效率,高耐寒性,垂直迁移的良好视力,以及在捕食者-猎物互动和生态位扩张方面的竞争优势。金枪鱼,剑鱼等被称为局部恒温物种,最近人们发现月鱼,具有全身恒温,这被认为是鱼类中独一无二的。然而,其潜在的分子机制仍不清楚。月鱼为研究水生动物全身恒温动物的进化机制提供了极好的机会。 全球分布的月鱼最初被描述为Lampris guttatus(Brünnich,1788),后来根据地理分布和形态学分为小眼太平洋月鱼(Lampris incognitus)、南部斑点月鱼(Lampris australensis)、大眼太平洋月鱼(Lampris meggalopsis)、北大西洋月鱼(Lampris guttatus)和东大西洋月鱼(Lampris lauta)。近日,中国科学院深海科学与工程所何舜平研究团队在期刊Zoological Research接收题目为“Opah(Lampris megalopsis)genome sheds light on the evolution of aquatic endothermy”的研究。该研究的月鱼是由中国金枪鱼延绳钓船“平太荣65号”在南印度洋海域采集,并于2018年9月12日由“平太荣冷2号”运往中国舟山进行解剖和肌肉提取。细胞色素c氧化酶I(CoI)和细胞色素b(Cytb)基因建树,鉴定该样品为大眼太平洋月鱼(L.megalopsis)。我们组装了大眼太平洋月鱼的基因组(1 091 Mb),由12081个contigs组成,其中contig N50为590 kb,N90为30 kb。在月鱼基因组中共注释了23755个基因。 他们利用月鱼基因组与其他非恒温鱼类进行比较基因组学分析,单拷贝直系同源基因进行正选择和快速进化分析,多拷贝基因家族进行扩张和收缩分析,候选基因进行GO和KEGG注释富集,发掘与月鱼产热和保温相关的候选基因。基于之前形态学的研究,他们已经知道月鱼的产热方式之一是深红色肌肉的代谢产热,慢肌的含量是目前已报道鱼类中最高的,所以他们在慢肌的发育和分化相关的基因中发现了3个正选择基因和1个快速进化基因,其中Gli1和Dcn均被报道降低表达慢肌含量减少,反之亦然;在肌肉的收缩和舒张过程中,钙离子的扮演着非常重要的角色,钙离子能够调控收缩蛋白的活性,KEGG钙离子的信号通路中他们发现了3个正选择基因还有3和基因家族扩张;肌纤维的组装中,有6个正选择基因参与肌纤维的正确组装和肌纤维的基本组成。月鱼高的颅温来自于另一个产热方式,眼睛上直肌的肌肉有高的柠檬酸活性,之前也有人报道是由肌磷脂蛋白(Sln)介导的非颤抖性产热,肌肉中缺少肌纤维,有更高含量的Serca和Ryr1,当肌磷脂蛋白与Serca结合时导致钙离子“打滑”,从而导致更高的ATP消耗产热;月鱼中Serca基因快速进化,Ryr1基因受到正选择。任何机器的运转都离不开能量的供应,月鱼全身性的恒温预示着比其他鱼类消耗更大的能量;我们在能量供应方面发现,1个正选择基因Pgm2涉及到糖异生,还有1个正选择基因Dlat涉及到三羧酸循环,另外他们发现在乳酸脱氢酶A(Ldha)中有两个正选择位点,经过基因合成,原核表达,扩大化培养,纯化蛋白后检测酶活性显示,月鱼的乳酸脱氢酶A活性高于三刺鱼,月鱼正选择位点突变后酶活性显著性降低,说明月鱼的乳酸脱氢酶酶A活性高于三刺鱼,且正选择位点扮演了重要的角色;保温方面,由于水的高比热容,鱼类恒温的一个重大挑战是鳃中的热量散失,月鱼鳃弓的解剖显示存在逆热流交换的血管网,在眼睛的上直肌中同样存在;在血管的发育过程中2015年Kidoya报道老鼠皮肤中动静脉血管并列的现象是由动脉血管产生Apelin,静脉血管特异性表达Apelin受体,Apelin诱导静脉血管内皮趋化性,动静脉血管之间细胞外基质重构支持静脉移位,最终使动脉血管和静脉血管平行;其中Ang1能够诱导Apelin表达,Ang-1在月鱼中扩张;或许在某种程度上增加了月鱼中丰富的逆热流交换血管网的形成;保温的另一个策略是厚的脂肪组织,在深红色慢肌、鳃弓中逆热流交换血管网和眼睛上直肌都外被厚的脂肪组织隔绝海水,所以他们又将目光放在了脂肪相关的通路中,在脂肪酸代谢通路中Aact受到正选择,Insig1和Ebf2快速进化;脂肪不仅有物理的隔离作用,同时脂肪因子也会影响内部的血管功能通过AMPK信号通路,我们在AMPK信号通路中发现有2个快速进化基因Adipor和Insig1; 在该研究中,科学家们首次发布了大眼太平洋月鱼的基因组,并与非恒温鱼类进行了比较基因组分析,揭示了恒温鱼类的遗传基础。通过对正选择、快速进化和基因家族扩张分析,他们发现了可能与产热和保温有关的候选基因丰富了鱼类中恒温的研究,为清晰水生生物恒温性奠定基础。 中国科学院深海科学与工程研究所何舜平与水生所杨连东为该研究的通讯作者,薄晶为论文第一作者。   https://www.zoores.ac.cn/en/article/doi/10.24272/j.issn.2095-8137.2021.183 查看详细>>

来源:中科院深海科学与工程研究所 点击量:2

2 中国科学院海洋研究所在牡蛎科贝类生物地理学研究方面获新进展 2021-12-06

近日,中国科学院海洋研究所王海艳研究团队综合利用分子生物学、生物地理学、古生物学方法对牡蛎科(Ostreidae)贝类进行详细的系统发育和生物地理研究,研究成果在系统演化及进化国际经典期刊Molecular Phylogenetics and Evolution发表。 牡蛎生活于潮间带和浅水区,是世界性广布种,有约2.5亿年的演化历史,丰富的化石记录忠实反映了海岸地质的变迁与物种的更替,对研究贝类和地球环境的共同演化、海洋生物多样性中心形成过程具有重要价值。王海艳团队对牡蛎科全球化石分布记录进行了系统整理,并利用分子数据对牡蛎科的起源、分化时间以及扩散历史进行追溯。 分化时间及生物地理重建结果表明,牡蛎科起源于早侏罗纪(约180百万年前)环北极地区,之后经历4次较大规模生物多样性中心的转移和物种更替,最终形成当前的分布状态。晚侏罗纪-早白垩纪(约180-100百万年前)环北极区域为当时牡蛎物种起源、保存和扩散的重要区域。此时,环北极区域各大陆的连通与隔离,以及北大西洋的扩张促进了牡蛎各亚科的形成。白垩纪晚期(约100-66百万年前)北大西洋东西两岸为牡蛎多样性热点区域,之后向特提斯海转移。第三纪(约66-23百万年前)特提斯海的缩小促进了牡蛎主要支系的分化,特别是巨蛎属(Crassostrea),主要支系分化的时间地点与地质事件发生的时间和地点相吻合。自印度与欧亚大陆板块相撞之后(约45百万年前),西太平洋热带海域逐步演变为现生牡蛎的物种多样性中心之一,特别是中新世(约23百万年前)以来,为牡蛎物种的保存发挥重要作用。 研究还发现,灭绝事件、不同种牡蛎的环境适应能力、繁殖方式对牡蛎分布模式的形成起到关键作用。另外,化石种和现生种分类系统的统一亟待解决。该研究为牡蛎及其他贝类的物种多样性形成过程及其多样性中心在漫长地质历史上的转移过程提供了参考及新的见解。 本研究得到了国家自然科学基金、中国科学院B类战略性先导科技专项、国家重点研发计划等项目资助。李翠博士后为论文第一作者,王海艳研究员为通讯作者。 论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1055790321002013?via%3Dihub 查看详细>>

来源:中科院海洋研究所 点击量:3

3 非编码RNA调控仿刺参肠道再生和皂苷合成研究取得重要进展 2021-12-06

非编码RNA中的miRNA和tRNA在基因表达调控中扮演重要角色,然而在棘皮动物中相关研究非常缺乏。中科院海洋所李富花课题组通过多组学数据整合分析,揭示了棘皮动物miRNA和tRNA基因的组织结构特点、进化历史和表达调控机制,以及它们在海参肠道再生和皂苷合成等生物学过程中的重要作用。相关研究成果分别发表在国际学术期刊Genomics和英国皇家学会会刊Open Biology。 研究人员鉴定和注释了112个仿刺参miRNA家族,其中70个为新家族;提出了miRNA基因簇进化的“功能性表达”新模型,揭示了表达量控制和背景选择作用在miRNA基因簇形成中的重要作用,发现仿刺参表达量最高的新miRNA家族聚集在一个特殊的n2基因簇中,通过抑制RFP和CTBP进而激活Wnt通路促进肠道再生。在tRNA研究方面,发现各种tRNA的拷贝数与其翻译的特定氨基酸的转录组丰度成正比,提示二者之间通过协同进化提高翻译效率;其中参与快速响应的临时表达基因倾向于牺牲其功能以提高翻译速度,包括半寿期较短的各种免疫响应基因和消化酶。海参tRNA基因与其特有的皂苷合成通路基因之间发生了高度的协同进化,其中三萜骨架合成、氧化和糖基化的关键酶LAS、CYP和UGT翻译优化程度显著高于其他棘皮动物。同时,海参tRNA基因组成与其食物来源-海水颗粒有机物的氨基酸组成相匹配,这种适应性进化提高了其利用低养分的海洋碎屑生存的能力。 这些研究对仿刺参的miRNA和tRNA基因信息进行了全面解析,阐述了其基因结构特征和表达调控机制,为今后海参转录后水平和翻译水平的基因表达调控研究提供了理论基础。同时,本研究首次发现调控海参肠道再生的关键miRNA基因簇,并通过揭示海参整个皂苷合成通路发生了高度的适应性进化,确认海参可以自身合成皂苷,锁定了海参皂苷合成的关键酶CYPs和UGTs,为海参再生和皂苷合成研究提供了重要线索。 上述两篇论文第一作者均为中科院海洋所柳承璋博士。   论文链接: Liu C,Yuan J,Zhang X,Jin S,Li F,Xiang J.(2021)."Clustering genomic organization of sea cucumber miRNAs impacts their evolution and expression."Genomics 113(6):3544-3555.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0888754321003104 Liu C,Yuan J,Zhang X,Jin S,Li F,Xiang J.(2021)."tRNA copy number and codon usage in the sea cucumber genome provide insights into adaptive translation for saponin biosynthesis."Open Biology 11(11):210190.https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsob.210190 查看详细>>

来源:中科院海洋研究所 点击量:2

4 中国东部近海跨陆架输运和埋碳研究取得重要进展 2021-12-06

最近,中国科学院海洋研究所袁东亮团队与德国汉堡大学科研团队合作,评估了全球变暖背景下的中国东部近海跨陆架输运和埋碳通量及其变化趋势,取得重要研究成果,论文在国际气候学研究学术期刊Climate Dynamics在线发表。 中国东部近海存在着非常活跃的跨陆架环流动力过程,冬季,黄东海陆架海水的温度远远低于黑潮的表层水温,跨陆架环流通过潜沉运动进入黑潮次表层约100-200 m以深的海域,并随着黑潮进入全球大洋次表层环流。这一跨陆架环流系统的整体环流结构与动力机制,首次由袁东亮与其合作者根据卫星遥感观测结合数值模拟明确给出。 伴随着跨陆架环流的潜沉,大量颗粒和溶解有机、无机碳被带入黑潮次表层,这些碳通量需要经过平均约100年以后才能重新回到海洋表层,这种跨陆架的潜沉过程代表着一类碳物质向深海输运的过程,称之为“跨陆架埋碳过程”。经评估,该埋碳过程是目前我国海洋碳汇的最主要分量之一。评估显示,跨100 m等深线向外海的净体积输运量约为1.1Sv,是长江流量的100倍,而单独向内或向外的体积通量通常高一个量级,由于向外的碳浓度较高,跨陆架埋碳效应十分突出。在全球变化背景下,中国东部近海跨陆架输运和埋碳的未来演变过程和机理,过去一直缺乏认识。 袁东亮研究团队和德国汉堡大学的Thomas Phlmann研究团队合作,利用区域加密的全球海气耦合模式,在全球温室气体中等(RCP4.5)和高等(RCP8.5)排放强度下,对黄东海跨陆架输运变异及其机制进行了研究。结果表明,自2006年至2099年,跨东海陆架向内和向外的体积通量,在两种温室气体排放情境下均呈增强趋势,并在高排放情境下于冬季达到最大,增幅可达20%以上,表明我国近海跨陆架埋碳有巨大的潜力。冬季,在黄东海东北向风应力异常驱动下,沿中国东部近海产生一支北向的沿岸流异常。同时,对马海峡和上层黑潮流量的增加,引起了黄东海大范围跨陆架环流系统的增强。 以上研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划、中科院先导科技专项等项目支持。该跨陆架输运在全球温室气体增暖背景下的通量、变异及其机制等科学成果,将为国家应对气候变化和制定“减排”政策提供重要支撑。 参考文献: Hao Jiajia,Yuan Dongliang,Tian Di,Su Jian,Phlmann Thomas(2021)Long-term changes of cross-shelf transports in the Yellow and East China Seas under different greenhouse gases emission scenarios.Climate Dynamics,https://doi.org/10.1007/s00382-021-06045-8 Yuan Dongliang,Hao Jiajia et al(2018).Cross-shelf carbon transport under different greenhouse gas emission scenarios in the East China Sea during winter.Science China-Earth Sciences,61(6):659-667.doi:10.1007/s11430-017-9164-9 Yuan DL,Hsueh Y(2010a)Dynamics of the cross-shelf circulation in the Yellow and East China Seas in winter.Deep Sea Res Part II 57(19):1745–1761. Yuan DL,Li Y,He L,Zhou H,Li RX,Wang F,Hu DX(2010b)An observation of the three-dimensional structure of across-shelf penetrating front off the Changjiang mouth.Deep Sea Res Part II 57(19-20):1827–1834. Yuan DL,Zhu JR,Li CY,Hu DX(2008)Cross-shelf circulation in the Yellow and East China Seas indicated by MODIS satellite observations.J Mar Syst 70(1):134–149. Yuan DL,Qiao FL,Su J(2005)Cross-shelf penetrating fronts off the southeast coast of China observed by MODIS.Geophys Res Lett 32(19). 查看详细>>

来源:中科院海洋研究所 点击量:3

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