小体鲟属于鲟鱼。它的基因组是理解脊椎动物祖先之谜的一个重要部分。
图片来源: Andreas Hartl
有时被称为“淡水鱼中的玛士撒拉”，从进化的角度来看，鲟鱼和它们的近亲非常古老。化石表明，鲟鱼的历史可以追溯到2.5亿年以前，至少从它们的外表来看，这一时期的变化非常小。因此，查尔斯·达尔文为它们创造了“活化石”一词也就不足为奇了。
维尔茨堡大学(University of Wurzburg)和莱布尼茨淡水生态与内陆渔业研究所(Leibniz Institute of Ecology and Inland Fisheries, IGB)的科学家与康斯坦斯、法国和俄罗斯的同事现在已经成功地对小鲟(Acipenser ruthenus)的基因组进行了测序，这是一种相对较小的鲟鱼。他们能够证明，自恐龙全盛时期以来，遗传物质也几乎没有改变。科学家们将他们的研究结果发表在最新一期的《Nature Ecology and Evolution》杂志上。
脊椎动物的祖先
“鲟鱼基因组是帮助我们了解脊椎动物祖先的一块重要拼图。”Manfred Schartl教授解释了科学家们对这种鱼类感兴趣的原因。Schartl是最近发表的这项研究的主要作者，也是维尔茨堡大学(University of Wurzburg)发展生物化学系的高级教授。就进化史而言，鲟鱼是地球上最古老的物种之一。它们是现存的3万多种硬骨鱼类的祖先，也因此是超过96% 的现存鱼类和大约一半的已知脊椎动物物种的祖先。
Schartl和他的同事们能够证明，在大约3.45亿年前的上泥盆纪或石炭纪时期，鲟鱼在某个时期分支出了它们自己的进化路线。“从那时起，它们的外观几乎没有改变，这一点在它们的遗传物质——DNA上也很明显，” Du Kang博士解释说; 他这项研究的第一作者，同时也是维尔茨堡大学生物化学和分子生物学系的研究助理。
为了证实这一点，遗传学家们必须仔细研究由小体鲟基因编码的蛋白质。事实上，他们的计算表明，这种所谓的蛋白质进化的速度非常缓慢。IGB的进化生物学家Matthias Stöck博士说:“小体鲟的蛋白质进化速度与腔棘鱼或鲨鱼相似，这两种鱼类在海洋中游弋了3亿多年，几乎没有变化。”
一亿八千万年前大范围的基因组改变
序列分析显示，小体鲟基因组包含120条染色体，约47,500个蛋白编码基因和18亿个碱基对。研究人员还发现，大约1.8亿年前，这种小体鲟复制了自己的基因组，让这个物种拥有了四套染色体，而不是常规的两套，在科学术语中，这被称为四倍体。基因组复制并不令人惊讶，“这样的过程已经多次对脊椎动物基因组的进化产生了重大影响，”Manfred Schartl说。在他们的进化史上，他们的祖先已经经历了两次“全基因组复制”。有些物种经历了三到四次这样的过程。
然而，让科学家们感到惊讶的是，这种基因组的复制发生在鲟鱼的悠久历史中。康斯坦斯大学(University of Constance)进化生物学家Axel Meyer教授表示:“在这么长的时间跨度内，我们本以为基因组会发生更深刻的变化，因为在四倍体生物中，基因片段往往会随着时间的推移而丢失、沉默或获得新的功能。”
基因组不确定性被消除
长期以来，科学家们对鲟鱼的确切基因状态一直存在争议。虽然有些人认为是多倍体，这意味着基因组被复制了很多次，但另一些人把鲟鱼解释为“功能性二倍体”，这是指一个物种首先复制自己的基因组成为四倍体，然后随着进化再次减少基因含量。虽然染色体仍然以两对的形式存在，但它们之间会分配任务。
现在很清楚了:“我们已经发现，小体鲟并没有恢复到二倍体的状态。相反，它保留了高度的结构性和功能性的多倍体，”Manfred Schartl说。这种保留可以归因于大部分小体鲟基因组的分子进化速度缓慢。
基因组复制:外行人可能会认为这让科学家的工作更容易，因为所有东西都是复制的。但事实上，这给研究人员带来了一个重大的技术挑战。 “现代基因组测序方法提供给我们的组装和分配小的‘DNA片段’变得极其困难，”Schartl说。然而，使用特殊的程序，我们能够创建“一个非常好的参考基因组和有史以来第一个古老鱼类的基因组”，这是国际研究合作的一部分。
保护物种的基因研究
基因测序是保护鲟鱼物种的重要基础。“在未来，我们将能够使用基因分析来确定动物的性别，这将极大地促进育种。”这将使我们能够控制繁殖，并支持繁殖种群的管理。这是我们努力保护这些古老物种的一个里程碑，”IGB的鲟鱼专家Jörn Gessner博士说。
关于鲟鱼
鲟鱼原产于欧亚大陆和北美的亚热带、温带和亚北极河流、湖泊和海岸线。鲟鱼寿命长，繁殖晚，通常不会在10岁之前。在许多鲟鱼品种中，成年鱼不断地从海里迁移到淡水中产卵。人们非常喜欢它们的卵，也就是鱼子酱。
由于栖息地的破坏、河流的破碎化、海洋的污染以及两千年来鱼子酱的生产，大多数鲟鱼物种现在处于灭绝的边缘。由于禁止野生鱼子酱贸易，鲟鱼养殖业已经成为一个重要的产业，可以通过保证市场供应来保护野生种群。
文献来源:
The sterlet sturgeon genome sequence and the mechanisms of segmental rediploidization, Nature Ecology and Evolution (2020)
https://www.nature.com/articles/s41559-020-1166-x
新闻报道来源：
https://phys.org/news/2020-03-sturgeon-genome-sequenced.html
作者单位：University of Würzburg
译文校稿：LuLu
