一條普通的鯰魚(yú)和一條會(huì)放電的電鰻居然是“近親”？在6600萬(wàn)年前那場(chǎng)終結(jié)了恐龍時(shí)代的災(zāi)難中，海洋里的魚(yú)類經(jīng)歷了什么？是什么樣的遺傳密碼，讓魚(yú)類在地球數(shù)次氣候劇變中頑強(qiáng)生存，并演化出令人眼花繚亂的多樣性？

這些看似遙遠(yuǎn)的問(wèn)題，答案就隱藏在它們的基因深處。近日，由中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所、華大生命科學(xué)研究院、西北工業(yè)大學(xué)等參與發(fā)起，商務(wù)部青島自貿(mào)片區(qū)千種海洋生物測(cè)序項(xiàng)目支持的萬(wàn)種魚(yú)類基因組計(jì)劃（Fish10K）的最新研究成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《創(chuàng)新》（The Innovation，IF=25.7）上在線發(fā)表。

Fish10K成果在線發(fā)表和項(xiàng)目Logo

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)從頭測(cè)序并整合464種真骨魚(yú)全基因組，構(gòu)建了迄今為止覆蓋最全面的魚(yú)類基因組圖譜，以前所未有的精度，重繪了真骨魚(yú)類長(zhǎng)達(dá)2.5億年的宏觀演化版圖。

文章圖形摘要

構(gòu)建全球最大規(guī)模的

魚(yú)類基因組比較資源

在 Fish10K項(xiàng)目一期中，團(tuán)隊(duì)成功完成了110個(gè)新物種的高質(zhì)量基因組組裝，并通過(guò)整合現(xiàn)有基因組，構(gòu)建了一個(gè)包含464個(gè)物種的全基因組比對(duì)矩陣，覆蓋了所有現(xiàn)存真骨魚(yú)目級(jí)分類。這不僅是繼哺乳類和鳥(niǎo)類之后，脊椎動(dòng)物中第三個(gè)大規(guī)模全基因組比對(duì)數(shù)據(jù)集，也是迄今最大、最系統(tǒng)的魚(yú)類基因組數(shù)據(jù)集，為探索魚(yú)類演化提供了堅(jiān)實(shí)的基石。

最大規(guī)模的魚(yú)類全基因組比對(duì)資源

挑戰(zhàn)魚(yú)類傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)：

重塑鲇魚(yú)與電鰻的“家族關(guān)系”

龐大的基因組數(shù)據(jù)為重繪魚(yú)類“生命之樹(shù)”提供了強(qiáng)大武器。研究團(tuán)隊(duì)利用高達(dá)3.18 MB直系同源序列（遠(yuǎn)超以往研究），重構(gòu)了覆蓋所有真骨魚(yú)類目級(jí)分類水平的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。

本研究中使用的核苷酸數(shù)據(jù)規(guī)模與先前的硬骨魚(yú)系統(tǒng)發(fā)育分析相比較

研究結(jié)果挑戰(zhàn)了長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛接受的“鲇-裸背電鰻類單系假說(shuō)”。新的“家譜”顯示，電鰻目為脂鯉目與鲇形目組成類群的姊妹群。研究結(jié)果也為重新理解骨鰾魚(yú)類電感受器的起源提供了全新視角，并引出關(guān)于電器官起源的兩個(gè)不同假設(shè)：1）發(fā)電器官在電鲇和電鰻中獨(dú)立演化了兩次；2）發(fā)電器官在脂鯉目中發(fā)生了丟失。這一發(fā)現(xiàn)不僅改寫(xiě)了魚(yú)類系統(tǒng)學(xué)的經(jīng)典框架，也為后續(xù)研究神經(jīng)感知與電信號(hào)進(jìn)化提供了新的方向。

利用全基因組比對(duì)數(shù)據(jù)重建了覆蓋所有目水平譜系的真骨魚(yú)系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

揭秘多樣性密碼：

大滅絕與氣候變化如何影響魚(yú)類演化

通過(guò)結(jié)合全基因組、化石記錄與分子鐘分析，研究將真骨魚(yú)的起源追溯至約2.53億年前，早于二疊紀(jì)-三疊紀(jì)滅絕事件。分析揭示，魚(yú)類在漫長(zhǎng)歷史中經(jīng)歷了三次主要的多樣化階段：（1）早期快速輻射期（起源至約1.7億年前）；（2）多樣化減緩期（約1.7億至6,600萬(wàn)年前）；（3）白堊紀(jì)–古近紀(jì)滅絕后短暫復(fù)蘇期，隨后趨于穩(wěn)定。

結(jié)果顯示，真骨魚(yú)多樣化速率的波動(dòng)與兩次大滅絕事件密切相關(guān)，而非持續(xù)增長(zhǎng)。化石數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明，全球變暖時(shí)期真骨魚(yú)的分化速率顯著下降，提示氣候變化對(duì)魚(yú)類輻射動(dòng)態(tài)的影響。這一結(jié)果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)“白堊紀(jì)后持續(xù)加速輻射”模型，揭示了地球環(huán)境與魚(yú)類多樣化之間的深層耦合關(guān)系，為我們理解當(dāng)前全球變暖背景下的生物多樣性危機(jī)提供了重要啟示。

真骨魚(yú)系統(tǒng)發(fā)育的分布以及多樣化、地質(zhì)事件和大滅絕之間的關(guān)系

真骨魚(yú)類DNA轉(zhuǎn)座子：

魚(yú)類獨(dú)特的遺傳密碼

研究發(fā)現(xiàn)，不同水域環(huán)境的真骨魚(yú)基因組成分存在明顯差異：淡水魚(yú)類的轉(zhuǎn)座子總量及DNA轉(zhuǎn)座子比例顯著高于海水魚(yú)。該特征表明真骨魚(yú)的基因組在不同滲透環(huán)境下出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性分化。這些活躍的遺傳元件可能為真骨魚(yú)適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境提供了豐富的變異素材。

令人意外的是，與人類等其他脊椎動(dòng)物基因組普遍由LINE反轉(zhuǎn)座子主導(dǎo)不同，真骨魚(yú)的基因組以DNA轉(zhuǎn)座子為主導(dǎo)元素。這一獨(dú)特的“遺傳指紋”表明，真骨魚(yú)在演化道路上形成了一套獨(dú)樹(shù)一幟的基因組調(diào)控模式，其背后的機(jī)制值得深入探索。

真骨魚(yú)基因組的轉(zhuǎn)座子分布特征

從基因調(diào)控到器官演化：

發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)真骨魚(yú)適應(yīng)的“幕后推手”

除了基因本身，調(diào)控基因表達(dá)的“開(kāi)關(guān)”同樣至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)首次在真骨魚(yú)中鑒定出近3萬(wàn)個(gè)高保守元件，其中1,689個(gè)為真骨魚(yú)所特有的。這些元件與腦、鰭、心臟和鰓等關(guān)鍵器官發(fā)育相關(guān)，提示它們在真骨魚(yú)形態(tài)創(chuàng)新中發(fā)揮了調(diào)控作用。

真骨魚(yú)基因組高保守元件識(shí)別

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)證實(shí)其中一個(gè)位于魚(yú)鰾發(fā)育關(guān)鍵基因附近的特有元件，確實(shí)能顯著增強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄活性。這表明，真骨魚(yú)獨(dú)特的形態(tài)創(chuàng)新（如魚(yú)鰾的出現(xiàn)），不僅依賴于新基因的產(chǎn)生，也得益于這些新型“基因開(kāi)關(guān)”的演化。這一發(fā)現(xiàn)為我們理解生物形態(tài)多樣性的起源打開(kāi)了一扇新的窗戶。

真骨魚(yú)特異高保守元件功能驗(yàn)證

本研究通過(guò)萬(wàn)種魚(yú)類基因組計(jì)劃建立了目前全球最大規(guī)模的魚(yú)類基因組比較資源，系統(tǒng)解析了真骨魚(yú)基因組結(jié)構(gòu)特征、轉(zhuǎn)座子動(dòng)態(tài)、保守與創(chuàng)新元件、系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及演化速率。研究不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的系統(tǒng)分類假說(shuō)，也揭示了基因組復(fù)制與轉(zhuǎn)座子活動(dòng)在推動(dòng)魚(yú)類適應(yīng)性演化中的核心作用，為深入理解脊椎動(dòng)物基因組演化規(guī)律、性狀起源與生態(tài)適應(yīng)機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

萬(wàn)種魚(yú)基因組計(jì)劃正在建立一個(gè)覆蓋全球魚(yú)類多樣性的系統(tǒng)性基因組數(shù)據(jù)庫(kù)。這一資源不僅為魚(yú)類生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、進(jìn)化學(xué)提供關(guān)鍵支撐，也將推動(dòng)水產(chǎn)育種、生態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境適應(yīng)基因研究等領(lǐng)域的發(fā)展。

中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所何舜平研究員，華大生命科學(xué)研究院范廣益研究員，西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院王堃教授，基因組多維解析技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐訊研究員等為論文共同通訊作者。青島華大基因研究院宋躍博士、袁增寶博士、張?zhí)K予博士、劉姍姍研究員，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所楊連東研究員、方成池副研究員，西北工業(yè)大學(xué)胡明亮博士，中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所Inge Seim研究員等為論文共同第一作者。

該成果獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、青島自貿(mào)區(qū)管委會(huì)千種海洋生物基因組測(cè)序項(xiàng)目、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及江蘇省技術(shù)廳等的支持。

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