▲研究揭示活化石魚類雀鱔形態(tài)變化緩慢的基因組學(xué)機制（視頻由AI生成）

“活化石”，用以描述在漫長的地質(zhì)歷史時間里很少有物種形成，并且與化石記錄中的祖先之間幾乎沒有任何物理結(jié)構(gòu)上的差異，顯示出進化停滯的生物。魚類代表了最多樣化的脊椎動物群，存在著多種“活化石”物種，如腔棘魚、肺魚、雀鱔等。

這些譜系因特殊進化地位，在硬骨魚類、四足類演化過程中長期被視為關(guān)鍵的進化節(jié)點。它們保留了大量來自地質(zhì)歷史深處的生物學(xué)信息，是探索魚類多樣化進程、脊椎動物關(guān)鍵演化創(chuàng)新（例如水生到陸生的轉(zhuǎn)變），以及基因組演化模式的重要研究對象。

近日，中國科學(xué)院水生生物研究所的研究團隊，揭開了“活化石”魚類雀鱔形態(tài)變化緩慢的基因組學(xué)機制。

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穩(wěn)定基因組與關(guān)鍵微染色體

雀鱔被稱為“活化石”，不僅因為外形億年不變，更因為其基因組也保持著超乎想象的穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn)，即使分化已經(jīng)超過一億年，不同雀鱔物種的基因組結(jié)構(gòu)依然高度相似。

研究進一步發(fā)現(xiàn)，雀鱔的基因組結(jié)構(gòu)與四足類的相似度高于與真骨魚類的相似度，顛覆了學(xué)界對親緣關(guān)系的認(rèn)知。

其穩(wěn)定性的原因，部分源于雀鱔特有的染色體組織方式。雀鱔與鳥類相似，擁有大小不同的染色體，其中微染色體負責(zé)DNA修復(fù)、維持基因組穩(wěn)定和精確調(diào)控細胞的生死；這類微染色體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、演化速度也更緩慢。

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活化石的終極慢放

研究團隊從基因序列、結(jié)構(gòu)重排和轉(zhuǎn)座子層面，追溯了雀鱔億年來保持穩(wěn)定的內(nèi)在原因——雀鱔基因組，仿佛被調(diào)至了“最低速”模式。

系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，除矛尾魚外，雀鱔擁有最短的進化枝長度，其核苷酸插入/缺失事件的發(fā)生率，在脊椎動物中屬于最低水平，這意味著其基因序列本身變化就非常緩慢。

與其他脊椎動物相比，雀鱔染色體重排事件發(fā)生率最低（平均每百萬年僅0.5次），它的基因組結(jié)構(gòu)堪稱脊椎動物演化的“化石模板”。

轉(zhuǎn)座子是驅(qū)動基因組變異的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，雀鱔基因組中絕大多數(shù)轉(zhuǎn)座子家族已失活，且年輕、活躍的轉(zhuǎn)座子插入率和拷貝數(shù)，均為本次研究對比物種中最低。這種極低的轉(zhuǎn)座子活性，從源頭上減少了基因組“動蕩”，是其維持穩(wěn)定的關(guān)鍵。

雀鱔基因組的演化停滯是全方位的，從最基礎(chǔ)的DNA序列變化速度，到大規(guī)模的染色體結(jié)構(gòu)，再到轉(zhuǎn)座子，均處于一種高度抑制、緩慢運轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

▲已滅絕雀鱔的化石形態(tài)和現(xiàn)存的鱷雀鱔

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停滯的饋贈

在野外環(huán)境中，白堊紀(jì)就已分化的不同屬雀鱔之間，仍能雜交并產(chǎn)生可存活的后代，這在自然界極為罕見。

研究發(fā)現(xiàn)，正是由于雀鱔基因組的演化速率極慢，關(guān)鍵基因和調(diào)控序列在漫長的時間里變化極小，使得不同物種間的遺傳系統(tǒng)仍能相互識別并協(xié)同工作，這為這種雜交提供了可能。

群體基因組分析顯示，盡管不同雀鱔間存在明顯的譜系分化，但歷史上仍發(fā)生過有限的基因流事件，這種持續(xù)的雜交能力，或源于它們長期的基因組結(jié)構(gòu)保守與低分子不相容性。

這項研究揭示，深度的基因組停滯，使得雀鱔在分化上億年后仍能保留跨物種雜交的罕見能力，成為研究漫長演化進程中物種如何形成與維持的絕佳“時光膠囊”。

來源：中國科學(xué)院水生生物研究所

責(zé)任編輯：曹旸