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海洋国家实验室在扇贝基因组精细图谱绘制和动物宏观进化领域取得重要进展
来源:科研部    通讯员:张宇    2017-04-13 13:01:54

2017年4月3日,青岛海洋科学与技术国家实验室(以下简称“海洋国家实验室”)、中国海洋大学包振民教授领衔的国际研究团队首次完成了扇贝基因组精细图谱绘制,并在动物宏观进化研究领域取得重要进展。在探究原始动物祖先(Urbilateria)染色体核型进化、躯体结构多样性产生、眼睛起源及其调控机制等方面取得多项新发现和新认识,为理解动物早期演化机制提供关键线索。该研究成果以“Scallop genome provides insights into evolution of bilateriankaryotype and development”(扇贝基因组揭示双侧对称动物核型和发育进化)为题在线发表在国际生态与进化领域权威期刊Nature Ecology &Evolution上(论文链接:http://www.nature.com/articles/s41559-017-0120)。海洋国家实验室海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室、中国海洋大学包振民教授和海洋生物学与生物技术功能实验室、中国海洋大学王师教授分别为该文的通讯作者和第一作者。该成果是在海洋国家实验室鳌山科技创新计划项目支持下取得的优秀代表成果,同时得到了海洋国家实验室鳌山人才“优秀青年学者”项目等资助。

现今地球上,动物界99%的物种隶属双侧对称动物(bilaterian),寒武世生命大爆发,双侧对称动物大量出现,进而演化形成了我们今天地球上动物界主要类群的基本格局。进化学家推测这些双侧对称动物可能起源于一个古老的共同祖先(Urbilateria),但由于早期动物化石记录匮乏,长期以来人们对双侧对称动物的起源和进化机制存有较多争议。通过对现存古老动物类群基因组比较分析,以重构并推断双侧对称动物祖先的基因组特征,被认为是解决这些争议的关键途径。目前对动物基因组进化的认知主要来源于两大动物类群(后口动物和蜕皮动物),而对于最为古老的第三大类群冠轮动物,仍所知甚少。解析原始冠轮动物类群(如起源于距今5亿年前早寒武世的贝类)的基因组特征,可为理解动物早期起源和进化机制提供关键线索。


图1. 扇贝(P. yessoensis) 近乎完美地保留了双侧对称动物祖先的染色体核型


包振民教授团队作为国际扇贝基因组计划的发起者,领导完成了首张高质量扇贝全基因组图谱绘制。通过对扇贝基因组深度解析,揭示扇贝呈现众多原始动物祖先基因组特征,近乎完美地保存了动物祖先的染色体核型、保留数目最多的古老基因家族、具有最完整的Hox、ParaHox、NK基因簇的基因组序列等,为迄今已发现的最古老的双侧对称动物基因组,为研究双侧对称动物早期起源进化提供了难得的基因组模型。进一步研究发现扇贝控制躯体模式(body plan)发育的Hox基因簇呈“分段共线性”表达模式,与目前普遍认为Hox基因簇遵循“完全时空共线性”表达模式不同。深入研究揭示“分段共线性”表达模式在低等动物普遍存在,是一种独特、古老的躯体模式决定机制,为理解寒武世动物躯体模式多样化的起源和进化机制提供了新视野。扇贝具有数十至上百的镜眼,研究还发现扇贝眼睛拥有不同寻常的多套光传导通路系统,其眼睛发生由pax2/5/8基因而非pax6基因主导,对目前国际主流的眼睛单源起源假说(pax6控制)提出了挑战,为动物体侧眼独立于头眼起源进化的新假说提供关键证据。上述重要发现将贝类在动物进化研究领域提升到一个新地位,拓展和加深了当前学术界对双侧对称动物的早期起源和演化机制的认识。


图2. Hox基因簇“分段共线性(STC)”调控新模式及其可能的起源和演化途径




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