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科研進展

水生所關于魚類結冰耐受適應的分子機制研究取得重要進展

發表日期:2023-02-21姜海峰,楊連東來源:水生生物研究所放大 縮小

   溫度是影響生物生存、繁殖和分布的重要因素。在極端寒冷的環境下,一些恒溫脊椎動物會采取冬眠的方式,而無法調節體溫的變溫脊椎動物,例如南極冰魚可通過產生抗凍蛋白的方式避免體液結冰。還有一種并不常見的生存策略是忍受體液的結冰,例如分布在北美的木蛙在冬天時會凍成冰塊,春天時又能融化復蘇。關于結冰耐受的機制研究雖然較多,但這種復雜的適應性進化的遺傳基礎仍不清楚。 

  中國科學院水生生物研究所何舜平研究員團隊對已知唯一具有結冰耐受能力的魚類葛氏鱸塘鱧(Perccottus glenii)以及其近緣但不具有耐寒能力的海南新沙塘鱧(Neodontobutis hainanensis)開展了比較基因組、轉錄組和代謝組學分析。研究發現,葛氏鱸塘鱧與海南新沙塘鱧約在15百萬年前分化,葛氏鱸塘鱧具有更快的蛋白進化速率。

  研究還發現,葛氏鱸塘鱧基因組中與低代謝(如nadufaf6atp5f1d)、細胞壓力反應(shc1, oxr1, hspa12b, ercc8ercc6l2)、細胞骨架穩定性(如kntc2, spc24, haus3, CTT complex, tppp)、抗凍保護劑的合成(如g6pcg3pp)與跨膜轉運(aqp1, aqp3, aqp4, aqp7glut2)以及神經傳遞相關基因(adora, gabrg2, mglur5fbxo2)發生了快速進化或特異性擴張,并進一步揭示了相關基因在結冰前期、結冰期和復蘇期的表達調控模式,這些基因的適應性變化可能在葛氏鱸塘鱧結冰耐受中發揮重要的作用。同時,代謝組學分析揭示了與抗氧化應激反應有關的多種代謝物的含量變化并發現了多種糖類、醇和氨基酸可能是葛氏鱸塘鱧的抗凍保護劑(圖1。

  這些結果為深入理解變溫脊椎動物結冰耐受適應的分子機制提供了證據,也為醫學上的抗凍保護劑研發以及揭示人類神經相關疾病如抑郁癥等疾病的致病機理提供了參考。 

  本研究由博士畢業生姜海峰(現為西北農林科技大學副教授)等人完成,青年研究員楊連東為最后通訊作者。相關研究成果在線發表于Molecular Biology and Evolution(文章鏈接https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msad040/7048473?searchresult=1)。 

 

  1 葛氏鱸塘鱧結冰期和復蘇期的轉錄及代謝調控 

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