海龍科物種適應性演化與保護研究獲進展

近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室林強研究員團隊解析了葉海龍（leafy seadragon）擬態特征形成的進化和遺傳學基礎，基于基因編輯技術闡明了其復雜性狀形成的分子調控機制，并預測了未來氣候變化下海龍科物種適宜棲息范圍的演變趨勢。相關研究成果作為封面論文，發表在《中國科學·生命科學》（Science China-Life Sciences，圖1）上。課題組前期發表于《科學進展》（Science Advances）上的成果解析了草海龍（weedy seadragon）復雜性狀的演化特征和性別決定機制。前后兩個姊妹篇研究為這類特殊物種的形成與演化機制研究奠定了基礎，并為海龍科關鍵物種的科學保護提供了重要科學依據。

查爾斯·達爾文在《物種起源》的結語中寫道：“從如此簡單的一個開端，展現物種進化的無盡形態之美。”葉海龍是自然界中“進化無盡之美”的典型代表（圖1）。葉海龍生活在澳大利亞南部沿海，全身被葉狀附肢覆蓋，能夠完美融入棲息的海草床中。與其他海龍科物種類似，葉海龍種群因棲息地破壞、環境污染、人類活動等因素而面臨危機。然而，當前關于葉海龍的研究頗為有限。它們如何適應海草床的特殊生境、在未來氣候變化下它們的適宜棲息地如何變化，尚不清楚。

該團隊前期圍繞海龍科物種復雜性狀演化已有系列研究，解析了海龍科腹鰭丟失、棘刺發生、牙齒丟失、脾臟丟失等性狀的遺傳學基礎。本研究對葉海龍進行了比較基因組學的分析，發現與其他魚類相比，葉海龍基因組有著較高的進化速率。進一步，研究對相關基因進行挖掘，發現多個快速進化和正選擇基因參與了骨骼和膠原等附葉組織相關發育通路，這可能是造就葉海龍表型高度特化的潛在原因。該研究使用CRISPR-Cas9基因編輯技術對其中一個關鍵基因bmp6進行了斑馬魚敲除實驗。結果顯示，突變型肌間刺發育受到顯著影響，表明該基因對骨骼發育的重要作用（圖2）。

該團隊前期研究表明海龍科魚類化學感受器家族顯著收縮而葉海龍較其他海龍科物種丟失了更多，其中OR和V1R嗅覺受體數量為已報道硬骨魚類中最少（圖3）。研究表明，魚類OR的數量與生境復雜程度顯著相關。葉海龍專性棲息于海草床生態系統，對特定生境具有高度依賴性，加上食性單一、不善游動和遷徙等特性，故研究推測其嗅覺受體大量丟失與其適應獨特的生境有關。

在長期的進化過程中，葉海龍和草海龍高度特化的表型以及生活方式使其能夠完美地適應特殊的海草床生態系統。然而，近年來在氣候變化和人類活動的共同影響下，海龍的適宜棲息被嚴重破壞。研究使用物種分布模型進行預測發現，與線紋海馬等廣布種相比，區域特有物種葉海龍和草海龍的適宜棲息地范圍將在本世紀末發生銳減，現有的棲息區域在未來或將不再適合其生存（圖4）。此外，海龍的擴散能力極弱，難以長距離遷徙至新的適宜環境。因此，制定海龍保護策略需要考量物種本身以及未來氣候變化和生境類型。

研究工作得到國家自然科學基金重點項目、國家杰出青年科學基金、中國科學院基礎前沿科學研究計劃從0到1原始創新項目、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。