近日，由中國科學(xué)院南海海洋研究所林強研究員團隊和浙江海洋大學(xué)高天翔教授團隊等合作完成的口孵魚(yú)類(lèi)親代撫育行為遺傳調控機制的最新結果以Article形式在線(xiàn)發(fā)表在The Innovation Life（《創(chuàng )新生命》）上。中國科學(xué)院南海海洋所研究員張艷紅、副研究員王信為本文共同第一作者，研究員林強和教授高天翔為共同通訊作者。

親代撫育行為的演化代表了生物個(gè)體在適應環(huán)境方面的重大突破，其形成機制一直是行為學(xué)、進(jìn)化生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題?？诜跏怯补囚~(yú)類(lèi)親代撫育的一種特殊形式，然而目前關(guān)于口孵魚(yú)類(lèi)親代撫育行為的遺傳調控機制研究甚少。

圖1 天竺鯛科魚(yú)類(lèi)實(shí)現口孵育兒行為的遺傳基礎

本研究以典型口孵魚(yú)類(lèi)細條銀口天竺鯛(Jaydia lineata)為研究對象，對其育兒行為的遺傳基礎進(jìn)行了探究。首先組裝了該物種染色體水平基因組，通過(guò)多物種的分子系統學(xué)研究，發(fā)現魚(yú)類(lèi)口孵行為最早可追溯到約2.5億年前，而口孵的天竺鯛科魚(yú)類(lèi)的進(jìn)化分歧時(shí)間約為9700萬(wàn)年前。同時(shí)發(fā)現魚(yú)類(lèi)繁殖模式多樣化（雌性卵胎生、雄性育兒、卵生）主要集中于魚(yú)類(lèi)物種多樣性爆發(fā)的白堊紀，揭示了魚(yú)類(lèi)繁殖性狀與物種多樣性的共同演化，以及口孵行為的多次獨立進(jìn)化(圖2)。

圖2 親代撫育魚(yú)類(lèi)的系統發(fā)育特征和繁殖策略

大約四分之一的魚(yú)類(lèi)存在親代撫育行為，口孵又是硬骨魚(yú)親代撫育的一種特殊形式，至少9科魚(yú)類(lèi)中存在口孵行為。本研究首先選擇具有親代撫育行為（雌性卵胎生、雄性卵胎生、雌性口孵和雄性口孵）的代表性硬骨魚(yú)類(lèi)，通過(guò)全基因組水平的趨同進(jìn)化分析，發(fā)現多個(gè)基因如rab34,grm2等在親代撫育物種譜系中具有顯著(zhù)的遺傳趨同信號，這些基因在胚胎發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用。進(jìn)一步聚焦于口孵魚(yú)類(lèi)，發(fā)現相對于普通卵生魚(yú)類(lèi)而言，口孵魚(yú)類(lèi)的編碼基因普遍表現出較快的進(jìn)化速率。神經(jīng)遞質(zhì)催產(chǎn)素（Oxytocin，魚(yú)類(lèi)中直系同源基因命名為isotocin）被稱(chēng)為“愛(ài)的荷爾蒙”。全基因組趨同分析顯示口孵魚(yú)類(lèi)催產(chǎn)素通路具有明顯的適應性遺傳突變，催產(chǎn)素信號通路相關(guān)基因在介導親代撫育行為中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，如CD38、IP3R等不僅存在氨基酸位點(diǎn)趨同變異，同時(shí)均受到顯著(zhù)正選擇。神經(jīng)肽類(lèi)物質(zhì)在調控動(dòng)物社會(huì )行為，如親母行為、親代撫育行為中發(fā)揮重要作用。比較轉錄組分析顯示，神經(jīng)肽及其受體信號通路在天竺鯛雌雄個(gè)體間存在顯著(zhù)差異；與不具備口孵行為的彈涂魚(yú)相比，雄性之間也存在明顯差異。

圖3 口孵魚(yú)類(lèi)親代撫育行為的遺傳調控機制

口孵育兒行為雖增加了后代的存活率，但代價(jià)卻是將親本置于饑餓、免疫功能改變的特殊生理狀態(tài)。本研究通過(guò)比較基因組和轉錄組分析共同揭示了天竺鯛在投資后代和維持自身健康之間的微妙平衡，并且發(fā)現了天竺鯛的免疫性別二態(tài)性，強調了雄性親本口孵行為對免疫相關(guān)基因表達的影響。此外，本研究還發(fā)現口腔黏膜不僅特異性表達一些免疫相關(guān)基因（如IL-17a,S100A9,chemokine28），且首次證實(shí)口腔黏膜有孵化酶基因（hce,hce1-like,hce2-like）表達，揭示了口腔黏膜在保障口腔中胚胎正常發(fā)育和免疫防護等方面的獨特生物學(xué)功能（圖4）。

圖4 細條銀口天竺鯛口腔黏膜的獨特生物學(xué)功能及其特異性免疫反應

本研究通過(guò)揭示魚(yú)類(lèi)育兒行為的遺傳基礎，為我們深入了解魚(yú)類(lèi)進(jìn)化過(guò)程和復雜行為驅動(dòng)機制提供了寶貴的見(jiàn)解。理解基因變異如何影響行為演化不僅有助于加強了我們對自然界的認識，還對保護生物學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金杰青項目（延續）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、國家重點(diǎn)研發(fā)項目等聯(lián)合資助。

相關(guān)論文信息：Mouthbrooding behavior and sexual immune dimorphism in Indian perch Jaydia lineata. https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100066