因為兩只眼睛長在身體同一側(cè)，比目魚成了魚類中的“另類”。其實，比目魚幼體的眼睛跟其它魚類一樣，都在身體兩側(cè)，只是在發(fā)育過程中其中一側(cè)的眼睛慢慢“跑偏”，成為怪魚。比目魚的眼睛是怎樣湊到一起的呢？近日，記者從黃海水產(chǎn)研究所獲悉，該所研究員陳松林領(lǐng)導(dǎo)的研究組與上海海洋大學(xué)等科研單位合作，破譯了褐牙鲆（比目魚的一種）全基因組序列，首次通過基因組解析，揭示了比目魚眼睛移動及體色不對稱等科學(xué)問題。
攻關(guān) 六年繪制基因圖譜
陳松林告訴記者，褐牙鲆基因組繪制共花費6年時間。主要難點在基因組組裝和生物學(xué)問題發(fā)掘等。為了攻克基因組組裝難題，研究人員采用純合度更高的雌核發(fā)育牙鲆魚進行基因組測序，從而獲得了較好的組裝結(jié)果。在生物學(xué)問題方面，因為牙鲆是比目魚類，在生長發(fā)育過程中具有變態(tài)的習(xí)性，從卵膜中剛孵化出來的比目魚幼體，完全不像父母，而且跟普通魚類的樣子很相似。眼睛長在頭部兩側(cè)，每側(cè)各一個，對稱擺放。牙鲆仔魚營浮游生活，漂浮在水層中。而在出生后1個月內(nèi)，褐牙鲆生活習(xí)性逐步發(fā)生變化，從浮游生活變?yōu)榈讞睿粋?cè)的眼睛也開始“搬家”，它通過頭的上緣逐漸移動到對面的一邊，直到跟另一只眼睛接近時才停止移動。此外，有眼側(cè)和無眼側(cè)的體色也發(fā)生了明顯的變化，變?yōu)椴粚ΨQ。眼睛位于同側(cè)和體色的不對稱是褐牙鲆等比目魚的變態(tài)發(fā)育現(xiàn)象，在牙鲆基因“密碼”解開前，無人能破解其中奧秘。
褐牙鲆形成這種不對稱的分子機制是什么？這就是我們通過牙鲆全基因組測序所要回答的科學(xué)問題。 ”陳松林說。因此，在牙鲆全基因組測序和組裝完成后，陳松林研究員和邵長偉副研究員就聯(lián)合上海海洋大學(xué)的鮑寶龍教授對鲆鰈魚類身體、眼睛和體色等不對稱形成的分子機制進行了研究分析，進行了大量的實驗驗證，發(fā)現(xiàn)了一些變態(tài)發(fā)育相關(guān)的基因在有眼側(cè)和無眼側(cè)的表達存在明顯差異，初步揭示了比目魚不對稱的分子機制。
揭秘 比目魚變態(tài)發(fā)育機制
通過與半滑舌鰨全基因組比較發(fā)現(xiàn)，盡管褐牙鲆和半滑舌鰨在七千萬年前就已經(jīng)開始分化，但是兩者的基因組存在高達85%的相似性，且有高達15534個同源基因。利用褐牙鲆和半滑舌鰨變態(tài)發(fā)育不同時期的轉(zhuǎn)錄組測序，篩選到2307個差異表達的直系同源基因，其中包括21個甲狀腺激素信號通路基因及9個視黃酸信號通路基因。通過甲狀腺激素合成抑制劑抑制實驗以及視黃酸注射實驗表明，視黃酸通過干擾甲狀腺激素對視黃酸受體/甲狀腺激素受體形成的異二聚體作用而抑制眼睛移動，揭示了褐牙鲆眼睛的移動受到甲狀腺激素和視黃酸信號通路的拮抗調(diào)控。
同時，科研人員利用液相色譜和串聯(lián)質(zhì)譜法檢測顯示褐牙鲆兩側(cè)皮膚視黃酸濃度存在顯著差異，并且視黃酸注射可以顯著增加皮膚中色素細(xì)胞的數(shù)量，表明視黃酸在比目魚體色不對稱發(fā)育中也起到重要調(diào)控作用。尤為有意思的是光傳導(dǎo)通路上的視蛋白在比目魚皮膚上也有表達。在不同波長光照射下，隨著比目魚在變態(tài)過程中身體逐漸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，有眼側(cè)皮膚的藍(lán)光視蛋白可以接受更多的光照，導(dǎo)致體表視黃酸的合成，誘導(dǎo)成體型色素細(xì)胞分化。而無眼側(cè)皮膚由于光照較少，導(dǎo)致該體側(cè)不能形成大量黑色素細(xì)胞，從而首次揭示了比目魚體色左右不對稱的形成機制，這對于理解其它底層魚類和上層魚類背腹面體色深淺也有重要幫助。
成果培育牙鲆抗病高產(chǎn)良種
牙鲆是世界性的重要海水養(yǎng)殖魚類，也是我國海水魚類養(yǎng)殖的主導(dǎo)品種之一，其年產(chǎn)值達20多億元人民幣。陳松林介紹，由于缺乏全基因組序列，限制了牙鲆生長、發(fā)育、抗病、變態(tài)等性狀相關(guān)功能基因的發(fā)掘和重要經(jīng)濟性狀的遺傳解析，也影響了牙鲆全基因組選擇育種技術(shù)的建立，影響了牙鲆抗病高產(chǎn)良種的培育。通過破譯牙鲆全基因組序列，能夠發(fā)掘大量基因資源，特別是鑒定一些與牙鲆生長、發(fā)育、性別和抗病免疫相關(guān)的功能基因。同時，牙鲆全基因組序列也能為研究人員進行牙鲆不同地理群體和不同家系的重測序提供參考基因組序列，能促進牙鲆全基因組選擇育種的研究進程，加快牙鲆抗病高產(chǎn)良種的培育步伐。例如，近幾年黃海水產(chǎn)研究所研究人員借助牙鲆全基因組序列建立了牙鲆全基因組選擇育種技術(shù)，采用此技術(shù)培育出牙鲆抗病快速生長優(yōu)良品種“鲆優(yōu)2號”，2016年已申報牙鲆新品種，推動了牙鲆抗病高產(chǎn)良種培育進程和種業(yè)發(fā)展。
另外，比目魚變態(tài)異常和白化是養(yǎng)殖過程中常見的現(xiàn)象，導(dǎo)致比目魚經(jīng)濟價值降低，產(chǎn)量下降，給比目魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)帶來了較大影響。通過對比目魚變態(tài)機制進行解析，可以為解決比目魚變態(tài)異常和白化現(xiàn)象提供新思路，比如在其變態(tài)的關(guān)鍵時期給于合適光照等科學(xué)路徑。
新聞延伸
水產(chǎn)養(yǎng)殖的基因組研究時代
近年來，我國科學(xué)家在魚類等水產(chǎn)物種的基因組研究中走在世界前列，隨著各項科研成果的公布，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖逐漸步入基因組研究時代。2010年，中國科學(xué)院海洋研究所專家聯(lián)合深圳華大基因繪制成牡蠣全基因組序列圖譜，當(dāng)時已達到國際領(lǐng)先的基因組圖譜標(biāo)準(zhǔn)。這是世界上首張養(yǎng)殖貝類的全基因組序列圖譜，標(biāo)志著基于短序列的高雜合度基因組拼接和組裝技術(shù)獲得重大突破。2014年，國內(nèi)首個魚類全基因組精細(xì)圖譜、也是國際首個比目魚基因組—半滑舌鰨全基因組序列圖譜完成，該研究由黃海水產(chǎn)研究所陳松林研究員主導(dǎo)，聯(lián)合深圳華大基因、德國維爾茨堡大學(xué)、法國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院和新加坡國立大學(xué)等單位共同完成，為揭示半滑舌鰨性染色體起源、性別決定機制和比目魚底棲適應(yīng)機制提供了寶貴的基因資源，同時助力半滑舌鰨性別控制和遺傳改良，為分子育種技術(shù)建立和良種培育奠定了重要基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上建立的半滑舌鰨高生理雌性苗種制種技術(shù)，將半滑舌鰨養(yǎng)殖苗種的生理雌魚比例提高了20%以上，從而將養(yǎng)殖產(chǎn)量提高20%左右，為半滑舌鰨養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)提供了有效的技術(shù)支撐。
青島晚報／掌上青島／青網(wǎng) 記者 王偉
