近日，中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所董志軍研究員與南海海洋研究所林強(qiáng)研究員等合作在海洋水母運(yùn)動(dòng)模式與生活史策略研究取得新進(jìn)展，揭示了燈塔水母平衡囊缺失及其逆向發(fā)育的進(jìn)化特征與遺傳基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Genomic and single-cell analysesreveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish”為題發(fā)表于Nature Communications。
水母具有極其復(fù)雜的生活史與環(huán)境適應(yīng)策略，在適宜條件下，水母水螅體可通過(guò)出芽生殖進(jìn)行快速種群增殖，并通過(guò)橫裂生殖釋放多個(gè)碟狀體（The Innovation Geoscience,2024）；而在逆境條件下，可通過(guò)足囊生殖維持其種群的生存過(guò)程（Molecular Ecology,2024）。水母也是海洋中最古老的無(wú)脊椎動(dòng)物類(lèi)群之一，是海洋關(guān)鍵進(jìn)化節(jié)點(diǎn)生物。在后生動(dòng)物中，維持運(yùn)動(dòng)平衡感知的器官形式多樣，從水母的簡(jiǎn)單平衡囊到哺乳動(dòng)物的復(fù)雜內(nèi)耳，其演化過(guò)程一直是學(xué)界探究的熱點(diǎn)。平衡囊是水母定向和重力響應(yīng)反饋系統(tǒng)的重要器官，切除平衡囊會(huì)導(dǎo)致水母運(yùn)動(dòng)定向功能和矯正功能受損。與其它水母相比，燈塔水母缺少平衡囊，表現(xiàn)出直線游動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征，不同于有平衡囊水母（如海月水母）的自由游動(dòng)形式（圖1）。而燈塔水母這種獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)模式影響了其生存策略，在長(zhǎng)期的演化過(guò)程中燈塔水母衍生出從水母成體到水螅體的逆向發(fā)育能力，據(jù)此，燈塔水母被稱(chēng)為“返老還童”的“永生水母”而聞名世界。然而，學(xué)界目前對(duì)該水母獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)模式和生存策略的遺傳調(diào)控機(jī)制仍不清楚。
基于上述科學(xué)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)組裝了染色體水平的燈塔水母（Turritopsis rubra）和海月水母（Aurelia coerulea）基因組，并與其它刺胞動(dòng)物基因組進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)燈塔水母的耳石形態(tài)發(fā)生和纖毛運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因受到顯著選擇或缺失；對(duì)四種水母平衡囊的轉(zhuǎn)錄組比較分析也表明參與纖毛運(yùn)動(dòng)的基因在燈塔水母感覺(jué)器官中表達(dá)顯著降低，推斷其可能與燈塔水母無(wú)法形成平衡囊相關(guān)。
基于比較基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)“耳石形態(tài)發(fā)生”（OMs）的基因家族在燈塔水母中發(fā)生特異性丟失。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)在海月水母中對(duì)該基因進(jìn)行原位雜交和RNA干擾實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該基因主要在海月水母平衡囊組織區(qū)域表達(dá)，而敲降該基因則會(huì)導(dǎo)致海月水母碟狀體無(wú)法正常發(fā)育出平衡囊，證明該基因在水母平衡囊形成中發(fā)揮了重要功能。
在水母中，毛細(xì)胞（hair cell）位于平衡囊底部，對(duì)平衡石的定向輸運(yùn)及平衡囊正常功能至關(guān)重要。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析了燈塔水母和海月水母的細(xì)胞圖譜，并重點(diǎn)關(guān)注兩種水母毛細(xì)胞基因表達(dá)模式差異。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組跨物種比較分析表明，燈塔水母毛細(xì)胞表現(xiàn)出與微管運(yùn)動(dòng)活性、纖毛組裝和動(dòng)力蛋白復(fù)合物相關(guān)基因的低表達(dá)或不表達(dá)，這些基因被報(bào)道參與維持纖毛的擺動(dòng)和運(yùn)動(dòng)以確保平衡石的組裝和精確定位。此外，與細(xì)胞發(fā)育相關(guān)通路也在燈塔水母毛細(xì)胞中下調(diào)，可能導(dǎo)致形成無(wú)功能或功能障礙的毛細(xì)胞，進(jìn)而導(dǎo)致燈塔水母的平衡囊缺失。
對(duì)燈塔水母五個(gè)發(fā)育階段的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析表明，在逆向發(fā)育過(guò)程中，滯育相關(guān)基因在囊（cyst）階段顯著富集，持續(xù)的休眠狀態(tài)可能更有利于燈塔水母應(yīng)對(duì)不利環(huán)境。此外，該研究發(fā)現(xiàn)囊和浮浪幼體的基因表達(dá)模式具有相似性，囊階段干細(xì)胞及相關(guān)發(fā)育基因的表達(dá)也為囊在合適條件下重新萌發(fā)為新的水螅體提供細(xì)胞和遺傳基礎(chǔ)。
燈塔水母不同發(fā)育階段細(xì)胞圖譜及逆向發(fā)育細(xì)胞和基因基礎(chǔ)
綜上，該項(xiàng)研究揭示了燈塔水母平衡囊缺失及其逆向發(fā)育的進(jìn)化特征與遺傳基礎(chǔ)，探討了水母遺傳學(xué)、運(yùn)動(dòng)模式和生存策略之間的復(fù)雜關(guān)系，為深入認(rèn)識(shí)海洋動(dòng)物運(yùn)動(dòng)演化和適應(yīng)策略提供了新見(jiàn)解。
煙臺(tái)海岸帶研究所董志軍研究員、王方晗博士生、李勇學(xué)博士生和南海海洋研究所劉雅莉副研究員為本文共同第一作者，南海海洋研究所林強(qiáng)研究員和煙臺(tái)海岸帶研究所董志軍研究員、趙建民研究員為本文共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、泰山學(xué)者計(jì)劃、煙臺(tái)海岸帶研究所研究組群等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49848-z
