深海作為地球表面最后未被人類大規(guī)模進(jìn)入或認(rèn)知的空間，約占地球表面積的65%。海斗深淵（6000 -11 000m）是地球上最不為人知的生態(tài)系統(tǒng)，具有高壓、溫差巨大、終年無光、食物匱乏等特殊極端條件，是常規(guī)生命形式的禁區(qū)。但在海斗深淵中仍有魚類生存，其中以最深的馬里亞納海溝命名的馬里亞納獅子魚是目前所發(fā)現(xiàn)的最深的脊椎動物，達(dá)到8100m。令人驚奇的是同很多長相古怪、通常具有巨大的嘴和牙齒的深海魚不同，馬里亞納獅子魚體長小巧，呈淡粉紅色，泳姿優(yōu)雅。盡管研究人員在基因組層面上對馬里亞納獅子魚深淵適應(yīng)性的分子機(jī)理進(jìn)行了解析，仍有很多影響其在深淵生態(tài)環(huán)境中生存和繁衍的秘密有待挖掘。

嗅覺在魚類的生存和繁殖中具有重要的作用，魚類通過精密調(diào)節(jié)的嗅覺系統(tǒng)識別并分辨水中眾多的化學(xué)信息，為食物定位、危險躲避、親緣識別及生殖洄游等行為提供至關(guān)重要的信息。不同嗅覺信息由鼻腔嗅粘膜上表達(dá)不同嗅覺基因的神經(jīng)核識別。研究表明動物嗅覺基因家族的進(jìn)化與其生存環(huán)境下的生態(tài)需求密切相關(guān)。例如，功能嗅覺基因的數(shù)目會隨水生和陸生環(huán)境的不同、食性的轉(zhuǎn)變、功能依賴性的改變而產(chǎn)生適應(yīng)性的變化。馬里亞納獅子魚可以迅速地被投放的誘餌所吸引，表明嗅覺在覓食中具有重要的功能。馬里亞納獅子魚在深淵的生態(tài)環(huán)境中屬于捕食者，位于食物鏈的頂端，但在物種豐度和數(shù)量貧乏的深淵環(huán)境中，只能專一的以少數(shù)幾種甲殼類生物為食。因此其對嗅覺功能的依賴性可能會由于單一的食性而減弱。另外，由于生活在黑暗無光的環(huán)境，其視覺發(fā)生了褪化，因此其嗅覺也存在為補(bǔ)償視覺的退化而增強(qiáng)的可能。

為了探討上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院水生生物研究所研究員何舜平團(tuán)隊查找并注釋了9種魚類的嗅覺受體（OR）和痕量胺受體（TAAR）基因家族，通過重點對比馬里亞納獅子魚與淺海近緣物種細(xì)紋獅子魚之間的差異，發(fā)現(xiàn)馬里亞納獅子魚的OR基因家族發(fā)生了大量的丟失，并伴隨著很高比例的假基因化。而TAAR基因家族基因的數(shù)目基本不變。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果顯示馬里亞納獅子魚和細(xì)紋獅子魚嗅覺基因家族具有很高的保守性。同細(xì)紋獅子魚相比，馬里亞納獅子魚OR基因家族的亞家族中的OR基因數(shù)目明顯減少，TAAR基因家族的亞家族數(shù)目發(fā)生減少，但亞家族中的TAAR數(shù)量增加。盡管馬里亞納獅子魚OR亞家族普遍是收縮的，仍發(fā)現(xiàn)有個別亞家族發(fā)生擴(kuò)張，這種亞家族間獨立的演化歷程反映了不同OR亞家族基因在深淵生態(tài)環(huán)境中面臨獨立的選擇壓力。進(jìn)一步的演化選擇壓力的分析顯示，OR基因家族在馬里亞納獅子魚中發(fā)生了松弛選擇，其功能依賴性降低。而TAAR基因家族則受到正向選擇作用，這表明TAAR基因在馬里亞納獅子魚適應(yīng)深淵生態(tài)環(huán)境中仍具有重要的作用，符合其能夠迅速感知動物腐敗后釋放的胺的現(xiàn)象。這項研究首次揭示了馬里亞納獅子魚在占據(jù)深淵環(huán)境中嗅覺發(fā)生了簡單但專一的適應(yīng)性演化歷程，為進(jìn)一步了解深淵中生物的生態(tài)適應(yīng)性提供了重要的科學(xué)積累。

這一研究結(jié)果，近日發(fā)表在GENES 雜志。研究工作由水生所博士生姜海峰等人完成，通訊作者為何舜平，研究得到國家科技攻關(guān)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接

馬里亞納獅子魚在誘餌處攝食甲殼類

9種魚類嗅覺受體基因（ORs）構(gòu)建的系統(tǒng)樹

9種魚類痕量胺受體基因（TAARs）構(gòu)建的系統(tǒng)樹

馬里亞納獅子魚和細(xì)紋獅子魚OR和TAAR基因家族數(shù)目比較

來源：水生生物研究所