摘要
海洋生物向陆地淡水环境的跨域是生命演化与生物多样性形成的重要过程和形式，这也是目前学界对于生命体从水生到陆生进化研究的聚焦点之一。海龙科鱼类起源于印度-太平洋交汇区，大多数海龙科鱼类生活在海洋环境中，然而极少数海龙经过漫长进化历程成为淡水海龙，但仍然具备适应高盐环境的潜能。从海洋到淡水栖息地的过渡构成了物种“土著区”之间的巨大转变，这意味着巨大的环境适应性挑战。尽管部分生物的表型为应对环境改变可以发生快速的适应性进化，但对于物种复杂性状快速演化的遗传或分子机制的理解目前仍然十分有限。对于淡水性海龙的系统发生及其性状演变等基础研究，有望为我们探索海洋生物向陆地淡水物种演化或扩散研究提供一条新的思路或范式。 前鳍多环海龙(Hippichthysheptagonus）隶属于海龙科（Syngnathidae）多环海龙属（Hippichthys），是一种淡水海龙，主要栖息于淡水河川、溪流以及河口区域。其雄性个体的尾部具有育儿袋，育儿袋的出现为子代提供了很好的保护，可以减少渗透压改变对子代的影响。本论文以前鳍多环海龙为研究对象，借助多组学技术，明确淡水性海龙的进化地位，揭示海龙科鱼类由海水向淡水迁移过程中环境适应的遗传基础，系统地研究前鳍多环海龙的胚胎、幼体和成体受到变化盐度影响后基因表达和代谢水平的差异。本论文主要的研究结果如下: 1.前鳍多环海龙的基因组特征及其系统演化 采用OxfordNanopore测序平台，K-mer预测基因组大小为614Mb,杂合率为0.84％。经nextDenovo+Racon+Pilon组装，获得组装基因组大小为630Mb。结合HiC辅助组装后，得到前鳍多环海龙基因组大小为629Mb,ContigN50为22.94Mb,ScaffoldN50为29.28Mb,共组装到22条染色体级别Scaffold,染色体锚定率为99.01％。BUSCO评估基因组完整度为94.9％。注释有20,330个蛋白编码基因，其重复序列约占基因组大小的48.9％。 基于全基因组构建典型海龙科鱼类系统发育树显示，淡水海龙中腹囊类和尾囊类分2次独立进化。腹囊类中淡水性印尼腹囊海龙(Microphismanadensis)和宝珈枪吻海龙(Doryichthysboaja）与海水性的蓝带矛吻海龙(Doryrhamphusexcisus）和斑节海龙(Dunckerocampusdactyliophorus)亲缘关系最近，其分化时间为6.98个百万年前;尾囊类中淡水性前鳍多环海龙与海水性海龙科鱼类的分歧时间为1.8个百万年前。据此推测，淡水海龙的形成是多次起源的结果，而且腹囊类的淡水海龙（印尼腹囊海龙和宝珈枪吻海龙）的出现要早于尾囊类的前鳍多环海龙。 2.淡水海龙的基因家族进化特征 腹囊类印尼腹囊海龙和宝珈枪吻海龙相对海水物种而言，存在38个显著扩张基因家族和304个显著收缩的基因家族;在尾囊类中，淡水性前鳍多环海龙则出现275个基因家族显著扩张，同时又有636个基因家族显著收缩。淡水海龙中，发生显著扩张的基因家族包括嗅觉受体基因家族、离子转运基因家族、以及神经递质共转运基因家族等;然而，有免疫相关基因家族则显著收缩。特定基因家族的扩张与收缩可能是淡水海龙从海水到淡水适应的关键。 以3种淡水性海龙作为前景枝进行正选择分析显示，共187个基因受到正选择。对正选择基因进行KEGG富集分析，免疫相关信号通路显著富集，如NOD-like受体信号通路和白细胞介素17(IL-17)信号通路。 综上推测，淡水性海龙为适应由海水到淡水生境的改变，其免疫系统相关基因出现了适应性进化。 3.盐度变化对前鳍多环海龙胚胎和幼体基因表达的影响 不同盐度分别处理前鳍多环海龙的胚胎和幼体，淡水组为对照组，盐度15‰和30‰的处理组为实验组。在胚胎中，暴露于30‰的胚胎其下调基因主要为参与细胞周期信号通路相关基因，上调基因则显著富集于视黄醇代谢、神经活性受体相互作用以及过氧化物酶体增殖物激活受体信号通路。然而，参与离子转运和能量代谢的基因在盐度胁迫下的胚胎中没有明显变化。与之相反，暴露于30‰盐度的淡水海龙幼体中参与离子转运的基因显著上调。同时，上调基因中还包括参与免疫调控的基因，主要的信号通路包括溶酶体，吞噬体，自噬和线粒体自噬。此外，碳水化合物代谢基因在幼体30‰幼体组显著上调，而氧化磷酸化基因显著下调。基于上述胚胎和幼体对盐度变化的分子响应特征，推测胚胎期的育儿袋保护和幼体的盐度适应可塑性可能是前鳍多环海龙的淡水适应策略。 4.盐度变化对前鳍多环海龙成体基因表达和物质代谢的影响 以前鳍多环海龙的成体为实验对象，我们从组织水平去研究前鳍多环海龙对盐度变化的分子响应特征，探讨盐度变化对鳃、脑、肠和肾的基因表达和物质代谢的影响。 结果显示，谷胱甘肽和氨基酸代谢相关的信号通路(精氨酸和脯氨酸代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢和β丙氨酸代谢)，与之相关的差异表达基因和差异代谢物在盐度30‰实验组鳃组织中显著富集。氨基酸和分子肽代谢有利于鳃应对环境盐度的改变。一方面，氨基酸代谢可以为盐度适应提供能量，具有活性的分子小肽可以参与活性物质的。30‰实验组和对照组的脑组织中差异表达基因和代谢物显著富集到神经激活受体相互作用信号通路，谷氨酸受体和糖皮质激素受体受体的基因表达水平升高，相关受体激活是脑感受外界环境变化的关键，皮质醇的代谢水平升高与环境适应盐度变化有关。肠组织中受盐度变化影响的关键信号通路主要有肌动蛋白骨架调节、细胞内吞、溶酶体和细胞自噬信号通路、甘油磷脂代谢和肌醇磷酸代谢，这些信号通路会影响肠组织上皮细胞生物膜结构，肠在细胞生理层面响应盐度的变化。盐度胁迫下，肾脏的差异表达基因富集的信号通路包括局部粘附、肌动蛋白细胞骨架调节、细胞内外受体相互作用和Wnt信号通路等，肾脏主要是通过改变细胞的结构，调节对水和离子的通透性以适应环境盐度的改变。 前鳍多环海龙的不同发育阶段的个体都有广盐适应的特征，盐度的改变会影响机体的能量代谢、免疫和激素水平，能量代谢、激素调节和免疫相关基因表达的可塑性是前鳍多环海龙适应盐度变化的基础。
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