科研動態

水生所從血氧系統分子層面揭示了高原魚類低氧適應的新機制

  氧對生物的生存、繁殖以及分布具有重要影響。生物的特異性血氧傳遞系統為實現其同環境之間的氧交互提供了保障。血氧系統的復雜性不僅體現了生物在生理調節上的多樣性,也反映了該物種對不同氧環境的適應能力差異。眾多的研究已經表明生物能夠通過不同層次的生理水平調節來適應環境氧濃度的變化,但基于自然選擇壓力下的遺傳水平改變才是適應長期低氧最為有效的途徑。高原環境是天然的低氧實驗室,對高原陸生生物的研究表明血氧系統的特異性為其適應低氧環境提供了保障。然而作為對環境氧濃度更為敏感的水生生物而言,相關的研究還比較局限。 

  為探究水生生物是否從遺傳水平上對高原環境表現出了特殊的適應進化模式,中國科學院水生生物研究所魚類系統學與生物地理學實驗室對青藏高原特有魚類的特殊的血氧系統及其進化開展了深入研究。研究論文“Hb adaptation to hypoxia in high-altitude fishes: Fresh evidence from schizothoracinae fishes in the Qinghai-Tibetan Plateau”在期刊《International Journal of Biological Macromolecules》上在線發表(文章鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S014181302101415X)。 

 

  圖:裂腹魚類血紅蛋白及其基因的表達。a, 雙向電泳檢測7種裂腹魚的血紅蛋白亞型組成;b, 轉錄組數據展示裂腹魚類的血紅蛋白基因的表達模式;cj, 裂腹魚類不同群體間的血紅蛋白濃度差異 

  青藏高原特有魚類——裂腹魚類,包含11個屬超過100個種,廣泛分布于青藏高原及其周邊地區。至今為止,裂腹魚類的系統進化關系仍存在爭議,但不同的研究都一致認為其進化過程跟青藏高原的隆升密切相關,并且他們已經適應了高原的特殊水體環境。此外,裂腹魚類的多倍體特性,也為其適應高原環境提供了基礎。本研究中,研究人員收集了分屬于10個屬,50個種的244尾性成熟裂腹魚的樣本和22個屬,37個種的105尾近緣低海拔魚類。首先測量了處于不同海拔高度魚類的血紅蛋白濃度,研究發現血紅蛋白濃度并非隨海拔高度的提升表現出線性增加,而更可能表現出種間差異。說明在體內通過不斷地提升血紅蛋白濃度來適應低氧環境可能并非是一種有效的途徑。通過轉錄組測序,熒光定量PCR和雙向電泳等技術手段,研究揭示了裂腹魚類在血紅蛋白基因的組成(不同物種共表達35 hbα56 hbβ基因)和血紅蛋白亞型(不同物種共表達5種不同的血紅蛋白亞型)表達上的多樣性。復雜的血紅蛋白模式為裂腹魚類適應高原水體環境提供了可能。研究進一步通過選擇壓力分析和蛋白模型的構建,揭示了裂腹魚類共表達的不同類型的血紅蛋白基因在進化過程中都受到了不同程度的自然選擇,從而造成了不同亞型的血紅蛋白在功能上表現出一定的差異。由此可以看出,基于血紅蛋白功能(親氧能力)上的進化改變可能促進了裂腹魚類對青藏高原水體環境的特殊適應。 

  本研究由博士研究生雷毅等人完成,水生所為唯一完成單位,水生所何舜平研究員為該研究的通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委員會重大研究計劃、中國科學院科技先導專項B以及中國科學院水生生物研究所等項目資助。 

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