身形細(xì)小的盲眼洞穴魚棲息于美國東部各處的地下水域。在一項(xiàng)新研究中，耶魯大學(xué)研究人員揭示了這些獨(dú)特穴居生物的進(jìn)化奧秘，并開創(chuàng)了一種測定其棲息地下生態(tài)系統(tǒng)年代的特殊方法。
通過對(duì)所有已知盲眼洞穴魚物種的基因組分析，研究人員發(fā)現(xiàn)不同物種獨(dú)立定居洞穴系統(tǒng)，并在適應(yīng)黑暗洞穴環(huán)境時(shí)演化出相似特征，包括眼睛和色素的退化。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《分子生物學(xué)與進(jìn)化》期刊。
美國洞穴魚在不同物種中獨(dú)立演化出盲眼特征，基因證據(jù)將洞穴年齡推算至1100萬年以上，并為人類眼病研究提供新見解。圖源：Shutterstock
通過研究導(dǎo)致魚類眼睛退化的基因突變，研究人員構(gòu)建了一種“突變時(shí)鐘”，借此估算各物種開始失去眼睛的時(shí)間。他們發(fā)現(xiàn)最古老的洞穴魚物種密蘇里洞穴魚的視力相關(guān)基因，最早可追溯至1100萬年前開始退化。
該技術(shù)為魚類定居的洞穴提供了最低年齡限定，因?yàn)楫?dāng)洞穴魚視力開始退化時(shí)，它們必然已棲息于地下水域。
“北美東部古老的地下生態(tài)系統(tǒng)很難用傳統(tǒng)洞穴年代測定技術(shù)確定年齡，這些技術(shù)在超過300~500萬年的上限后便不可靠。”該論文第一作者、耶魯大學(xué)研究生Chase Brownstein表示，“通過確定洞穴適應(yīng)型魚類譜系的年齡，我們可以推斷其棲息洞穴的最低年齡，因?yàn)檫@些魚類不可能在陽光充足的地表生活時(shí)就開始失去視力。根據(jù)測算，我們估計(jì)部分洞穴的最低年齡超過1100萬年。”
研究人員利用化石記錄、基因組數(shù)據(jù)以及對(duì)所有現(xiàn)存相關(guān)物種的高分辨率掃描，重建了盲眼洞穴魚的時(shí)間校準(zhǔn)進(jìn)化樹。
為探究洞穴魚開始定居洞穴的時(shí)間（這是進(jìn)化樹分支無法揭示的），研究人員研究了魚類基因組，檢測了88個(gè)視力相關(guān)基因的突變。分析顯示，不同洞穴魚譜系導(dǎo)致視力喪失的基因突變組合完全不同。這表明各物種獨(dú)立定居洞穴并適應(yīng)地下生態(tài)系統(tǒng)。
在此基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)出一種計(jì)算方法，通過統(tǒng)計(jì)洞穴魚物種開始因喪失視力相關(guān)基因功能副本而適應(yīng)洞穴生活所經(jīng)歷的世代數(shù)，推算出其進(jìn)化時(shí)間軸。
分析表明，密蘇里洞穴魚的洞穴適應(yīng)發(fā)生在225萬至1130萬年前，其他洞穴魚譜系的最早適應(yīng)時(shí)間在34.2萬至170萬年前（最低值）和170萬至870萬年前（最高值）之間。研究人員稱，這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)至少四個(gè)盲眼洞穴魚譜系在從地表祖先演化后，獨(dú)立定居了洞穴。
該論文通訊作者、耶魯大學(xué)教授Thomas Near表示，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)人類健康具有潛在啟示。“我們?cè)诙囱~基因組中發(fā)現(xiàn)的許多導(dǎo)致眼睛退化的突變，與引起人類眼病的突變相似。通過研究洞穴魚這個(gè)自然系統(tǒng)，我們有可能獲得對(duì)人類眼病基因組機(jī)制的見解，這為轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)提供了可能性。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1093/molbev/msaf185
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