基因揭秘 海马雄性育儿

编者按：

        中国海洋学会、中国太平洋学会、中国海洋湖沼学会联合组织常务理事、理

事、同行领域专家及相关单位，经过广泛推荐、专家评议及投票排序，近日评选出“2016年度中国海洋十大科技进展”，其中，“我国科学家首次揭示海马基因组及其环境适应性进化机制”科学事件上榜。

        2016年12月15日，国际学术期刊《自然》（Nature）主刊以封面长论文（Article）的形式在线发表了由中国科学院南海海洋研究所研究员林强课题组主导，德国、新加坡、华大基因等实验室共同完成的研究论文《海马基因组及其特异体型进化机制》。该研究在首次完成海马全基因组分析的基础上，揭示了海马在海洋近岸和岛礁栖息过程中的长期适应性进化特征。据悉，该研究是国内在《Nature》主刊上发表的第一篇关于鱼类研究的论文。

Nature 封面论文（Seahorse Evolution at a gallop）

        海马隶属于脊索动物门、海龙科、海马属，是具有特殊体型的鱼类，广泛分布于世界海洋，被视为海洋生态系统中重要的环境指示物种。长期以来，海马独特的雄性育儿和特异的交配行为一直受到科学界的高度关注。林强研究团队通过全基因组数据分析得知海马是目前已获得全基因组鱼类中进化速率最快的物种，并从基因层面探讨了育儿袋形成和怀孕过程，揭开了海马雄性育儿之谜；与此同时，该团队瞄准国际上对于海洋鱼类的进化研究高地，首次阐明了海马特异体型进化机制，为人类重新认识海洋鱼类进化地位和环境适应性开拓了新视角，对推动海洋生物学科发展具有重大意义。

        海马是地球上已知的唯一真正表现出雄性怀孕生子的脊椎动物，这一现象使得它们一直备受国际科学家的“偏爱”。长久以来，我们都知道海马爸爸是怀孕育儿的那一支“独秀”，但我们对海马爸爸的腹囊中发生的事情知之甚少。

        海马爸爸是非常优秀的“ 母亲”，在怀孕和生产过程中表现出了一般动物雌性才具备的功能。海马爸爸既是精子的生产者同时也是怀孕者。海马妈妈将它的卵子转移到海马爸爸的腹囊中，海马爸爸在接收到卵子之后会释放出精子使卵子受精，接着孵化15-30天直到小海马出生。

        和其他鱼类相比，海马显得尤其特别。大多数鱼类都是卵生，即雌鱼排出卵，雄鱼授精，就完成了生育使命。少部分鱼类如剑尾鱼则属于卵胎生，它们都是在雌性的卵巢里发育再排出体外。海马虽属于最低等的脊椎动物——鱼类，但它的生育过程既不是卵生，也不是胎生，而是一个非常特殊的雄性卵胎生繁殖方式。并且在整个动物界，与人类和大多数动物的雌性产后代相比，海马有着最特殊的雄性育儿现象，至今这一奇特现象都堪称动物进化史上的典范。

        在林强研究团队的基因分析中发现了一系列基因与海马的育儿相关，发表的论文中采用了一个pastn基因为代表去诠释海马育儿的过程。研究团队发现pastn基因在海马基因组中发生了重复，从而推断该基因可能发挥着一个新的作用——雄性海马育婴囊的出现。在雄海马受精，胚胎发育过程中，其他相关基因能提供包括生理、营养、免疫等在内的相应调控，且能对幼鱼(幼苗)进行保护。而pastn这一基因本身会影响育儿袋的产生，也会根据发育状况不同起到不同的调控作用。不过，这一基因并非只存在雄性中，在雌性中也存在，但比较少，主要存在于雄性育儿袋中。这是国际上第一次从基因层面论证了海马雄性育儿的原因。

        事实上，无论是企鹅的雄性孵化，还是海马的雄性育儿等，都可以发现雄性个体在后代繁殖过程中扮演的角色非常重要。林强的研究团队也并不是要简单地分析雄性对繁殖的贡献，而是希望能借此研究动物性角色过程中的能量分配。

海马的头型能创造出一个扰动极小的范围，让它们得以非常靠近极为敏感且难以捉摸的桡足类动物

        动物生长到一定程度会进入繁殖阶段，繁殖过程是一个能量消耗的过程。正常情况下，个体的能量支出是一定的，即繁殖用的能量多，生长用的能量就少。那么在整个动物繁殖过程中，雄性提供的能量多，还是雌性提供的能量多，这在动物性角色的研究课题里是一个非常重要的内容。眼下林强的团队就有人专门在研究这些内容，比如，雄海马在后代的保育过程中，到底在哪些具体的行为或生理活动中消耗了能量？这种能量来自哪里？哪些基因参与了调控？为何基因控制的雄性和雌性怀孕的过程会如此相似？

        不仅如此，未来，林强课题组作为我国唯一一个开展海马基础研究的科研团队，还将从基因进化层面进一步关注海马育儿袋的功能和形成机制，并希望将来这些研究能为研究动物和人类生殖等课题提供一些帮助。与此同时，海马因其独特的药用功效而被誉为海洋“人参”，在中医药中具有非常广泛的应用，是一种珍稀的海洋药源动物。他们也希望能找到海马的相关药理基因，研发新药造福人类。

明明是鱼，为什么长得像马？

        海马的头型为何长得这么奇特？2014年美国德州大学奥斯汀分校海洋生物学家布莱德·盖莫尔曾研究发现，海马的头型和它秘密地接近捕食对象的方式有关，海马闪电般的速度，能为它猎捕到一顿海洋中最令人觊觎的大餐：桡足类动物。

        盖莫尔说，海洋中每种动物基本上都想要猎食桡足类，因此桡足类已经演化出一些令人赞叹的方法来避免遭到捕食者捕捉。这些法宝包括敏感度与速度。桡足类是一种微小的甲壳动物，它们看不见影像，所以仰赖对海水扰动的卓越敏感度来感觉靠近的捕食者。桡足类从它们感觉有动静到逃跑，大约只有2～3毫秒的时间。它们的速度能让它们在1秒内移动超过500个自己身长的距离。要捉到那么迅速的猎物，动作就必须比它更快一些。而在风平浪静的情况下，海马比其他的鱼更擅于捕捉桡足类。海马猎捕的成功率有90%，其他捕食者则只有30%〜40%。

海马的双眼能够独立工作，能同时看到前方和后方

        在盖莫尔的研究中指出，海马的头型能创造出一个扰动极小的范围，让它们得以非常靠近极为敏感且难以捉摸的桡足类动物。究竟为什么海马本质上是一条鱼，但头部会像马一样？

        这次林强研究团队从基因层面发现，的确存在相关基因调控了海马的体形特征。较其他已知鱼类，海马的Hox基因CNE出现严重的缺失现象。这也就进一步证实了与体型相关的Hox基因CNE的缺失，对海马体型起到了关键的调控作用。

为什么没有牙齿用鼻管捕食？

        事实上，海马全身遍及各种离奇古怪，除了海马长着“像马一样”的头部、管状的鼻子以外，它还没有牙齿。海马没有牙齿，并且海马的双眼能够独立工作，能同时看到前方和后方，这些特征都与其相应基因的特殊息息相关。这是除了蜻蜓和变色龙之外其他动物都不能做到的。为什么海马在很短的时间进化出那么多独特的功能？

        林强课题组从基因层面找到了答案。海马没有鳞片和牙齿，周身包被角质皮层和环骨，研究人员发现分泌型钙结合磷蛋白（SCPP）主要参与骨骼、牙釉质和牙本质等的形成，而该类基因在海马中严重缺失，只保留了2个。由于海马没有牙齿，所以其利用长长的鼻管吸入浮游生物以及其他小型猎物进食。

为什么没有尾鳍腹鳍垂直游泳？

        海马的身体由硬化的骨片状皮肤覆盖，还能改变体色来伪装自己以逃避掠食者。海马的游动方式也很奇特，它们几乎总是昂立着身体垂直上下游动，而非水平地游动。海马依靠卷曲的尾部勾住海草来固定身体位置或者防止被海流冲走。此外，最不同于一般鱼类的是，海马没有尾鳍和腹鳍。

海马依靠卷曲的尾部勾住海草来固定身体位置或者防止被海流冲走。此外，最不同于一般鱼类的是，海马没有尾鳍和腹鳍

        值得注意的是，林强研究团队发现，其他鱼类基因组中对应于腹鳍的基因以及高等动物基因组对应于下肢的基因，在海马基因组中都缺失了，所以海马没有腹鳍。因此海马依靠其背部的小而几乎透明的鱼鳍快速扇动来实现游动，并且利用其靠近头后部的小小的胸鳍来实现转向。

        海马“下肢”为何没了？为适应海马直立游泳的运动方式，海马的腹鳍在长期进化中丢失了。海马的腹鳍相当于高等动物的下肢或人的腿，是很重要的一个器官。一个基因的缺失直接导致腹鳍丢失的现象，这在动物界中也是不多见的。Tbx4基因是决定肢体发育的重要基因。林强研究团队通过比较基因组分析发现海马基因组中丢失了这个基因，推测海马腹鳍的缺失可能与此相关。为了验证这个推测，研究人员在斑马鱼中进行基因敲除实验，结果发现敲除Tbx4基因的斑马鱼真的没有腹鳍。这就进一步证实了Tbx4基因缺失对海马腹鳍确实起到了调控作用。

        此外，由于海马为直立游泳，运动能力弱，其尾巴常卷在附着物上，通过伪装色来捕食和躲避敌害生物。这些特殊的生活史特征，与其生存的环境是密切相关的。其关联基因在长期的进化过程中，或许已经“造就”了海马特异的体型。

是忠贞之鱼还是调情高手？

        海马是“忠贞之鱼”，一生恪守“一夫一妻制”？事实并非如此，林强认为，海马们个个都是“调情高手”，甚至有“同性恋行为”。其实海马专不专一与其生活环境相关。在海洋中生活的海马，由于其数量较少，异性海马之间一旦碰面就心生情愫不会轻易分开。但是海马在实验室的条件下观察，几乎所有的海马品种都会打破一夫一妻制，甚至很多雄性个体间还会出现假交配现象。

由于海马为直立游泳，运动能力弱，其尾巴常卷在附着物上，通过伪装色来捕食和躲避敌害生物

研究海马的初衷

        “海马长得漂亮， 且药用价值高”，提及研究海马的初衷，林强道出了缘由。林强说，从研究生开始，他就钟情于海马的相关行为学研究，至今已有将近15年的研究基础。2010年他留学回国后主导组建了国内唯一的海马研究团队。2013年，他们课题组启动了海马全基因组工作。历经3年的协同攻关和深入探索，研究团队最终在国际上首次完成了海马的全基因组测序及数据分析，将为鱼类的基础与应用研究提供重要的数据信息。

        人和老鼠的基因有95%以上是相同的，那么人类与海马呢？林强说，虽然人类起源于海洋生物，但是鱼类是最原始的脊椎动物，而人类是最高级的脊椎动物，海马与人类之间跨度太大，因此根据科研问题的设置，这次并没有将海马跟人的基因进行对比研究。但是海马的许多基因与其他怀孕动物的基因很相似。海马爸爸们和人类的母亲一样，需要确定它们能为受精卵提供氧气和营养等。只不过我们在子宫中用胎盘，而海马爸爸用腹囊中增厚的类胎盘来达到同样的目的。也就是说，动物之间的很多基因都是相同的，未来他们还会研究海马在繁殖过程中，它的一些基因是否与哺乳动物比如人类、小鼠等一样存在平行进化现象，探讨繁殖基因进化问题。林强强调，科学的意义在于不断的探索和发现，海马神秘的面纱正被慢慢地揭开，然而海洋带给他们的太多未知仍需要去继续发现。