國(guó)際研究小組對(duì)神秘的弓鰭魚的基因組進(jìn)行測(cè)序

魚種Amia calva有很多名字，包括弓鰭魚、淡水角鯊、grinnel 和泥梭魚。不管你怎么稱呼它，這個(gè)物種都是一個(gè)進(jìn)化之謎，因?yàn)樗w現(xiàn)了祖先和先進(jìn)魚類特征的獨(dú)特組合。

在 8 月 30 日發(fā)表在Nature Genetics 上的一篇論文中，由密歇根州立大學(xué)的 Ingo Braasch 和 Andrew Thompson 領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際合作研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始通過對(duì)弓鰭魚的基因組進(jìn)行測(cè)序來解開這個(gè)謎團(tuán)。他們的合作分析對(duì)這個(gè)神秘的古老血統(tǒng)的生物學(xué)的各個(gè)方面產(chǎn)生了意想不到的見解。

弓鰭魚是北美洲東部特有的一種硬骨魚，是許多物種的曾經(jīng)龐大譜系中唯一幸存的成員，現(xiàn)在只能從化石中得知。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直對(duì)弓鰭魚著迷，因?yàn)樗Y(jié)合了祖先的特征，例如像肺一樣呼吸空氣和強(qiáng)壯的鰭骨架，以及簡(jiǎn)化的鱗片和縮小的尾巴等衍生特征。弓鰭魚在魚類家譜中也占有關(guān)鍵位置，它位于硬骨魚(最近出現(xiàn)的一個(gè)龐大而多樣化的群體)和包括鱘魚、白鱘和比奇魚在內(nèi)的更古老的分支之間。

由于在魚類家譜中的這一特殊位置，弓鰭魚可以幫助科學(xué)家了解現(xiàn)代魚類的各個(gè)方面是如何從其古老的祖先進(jìn)化而來的。通過檢查弓鰭魚基因組，科學(xué)家可以研究弓鰭魚獨(dú)特的一組新舊特征的遺傳基礎(chǔ)。他們還可以使用這些基因組信息作為框架來更好地了解硬骨魚的起源，自從與弓鰭魚世系分離并成為大多數(shù)水生棲息地的主要世系以來，硬骨魚已經(jīng)復(fù)制并廣泛修改了它們的基因組。

作為哈佛大學(xué)有機(jī)與進(jìn)化生物學(xué)系的博士生，該研究的合著者 M. Brent Hawkins(博士 '20)研究了弓鰭胸鰭的進(jìn)化和發(fā)育。霍金斯的博士論文是與哈佛醫(yī)學(xué)院和波士頓兒童醫(yī)院的 Matthew P. Harris 教授以及哈佛大學(xué)有機(jī)與進(jìn)化生物學(xué)系的 James Hanken 教授共同完成的，他們貢獻(xiàn)了該研究中一些最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。

由于其骨骼的祖先構(gòu)造，霍金斯專注于弓鰭的胸鰭。弓鰭保留著后胬肉，這是鰭骨架的一部分，與四足動(dòng)物的肢骨同源。廣泛使用的斑馬魚和青鳉等模式生物已經(jīng)失去了后胬肉，這使得鰭和四肢之間的比較變得困難。通過研究弓鰭，科學(xué)家可以利用弓鰭發(fā)育的知識(shí)作為墊腳石，將硬骨魚鰭發(fā)育與四足動(dòng)物肢發(fā)育聯(lián)系起來，并幫助解釋鰭到肢過渡的演變。

霍金斯與康奈爾大學(xué)的合著者艾米麗芬克和艾米麥庫恩一起，從紐約州北部的野外巢穴中收集了年輕的弓鰭魚胚胎。霍金斯培養(yǎng)了胚胎，在它們發(fā)育時(shí)收集胸鰭樣本。他從樣本中提取了 mRNA，并在哈佛大學(xué) Bauer Core 的幫助下進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，通過使用基因組參考序列解析轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)來確定發(fā)育中的鰭中哪些基因被開啟。一旦確定，他就使用原位雜交來可視化這些基因在鰭長(zhǎng)出過程中的激活位置。最初，霍金斯預(yù)計(jì)弓鰭基因數(shù)據(jù)看起來與其他鰭和四肢非常相似。“作為一個(gè)領(lǐng)域，我們已經(jīng)表征了許多與附屬物模式相關(guān)的基因。我們很清楚基本的鰭和肢基因是什么以及它們應(yīng)該在哪里開啟，”霍金斯說。然而，當(dāng)他分析鰭數(shù)據(jù)時(shí)，他對(duì)結(jié)果感到震驚。

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