海龙科物种适应性演化与保护研究获进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室林强研究员团队解析了叶海龙（leafy seadragon）拟态特征形成的进化和遗传学基础，基于基因编辑技术阐明了其复杂性状形成的分子调控机制，并预测了未来气候变化下海龙科物种适宜栖息范围的演变趋势。相关研究成果作为封面论文，发表在《中国科学·生命科学》（Science China-Life Sciences，图1）上。课题组前期发表于《科学进展》（Science Advances）上的成果解析了草海龙（weedy seadragon）复杂性状的演化特征和性别决定机制。前后两个姊妹篇研究为这类特殊物种的形成与演化机制研究奠定了基础，并为海龙科关键物种的科学保护提供了重要科学依据。

查尔斯·达尔文在《物种起源》的结语中写道：“从如此简单的一个开端，展现物种进化的无尽形态之美。”叶海龙是自然界中“进化无尽之美”的典型代表。叶海龙生活在澳大利亚南部沿海，全身被叶状附肢覆盖，能够完美融入栖息的海草床中。与其他海龙科物种类似，叶海龙种群因栖息地破坏、环境污染、人类活动等因素而面临危机。然而，当前关于叶海龙的研究颇为有限。它们如何适应海草床的特殊生境、在未来气候变化下它们的适宜栖息地如何变化，尚不清楚。

该团队前期围绕海龙科物种复杂性状演化已有系列研究，解析了海龙科腹鳍丢失、棘刺发生、牙齿丢失、脾脏丢失等性状的遗传学基础。本研究对叶海龙进行了比较基因组学的分析，发现与其他鱼类相比，叶海龙基因组有着较高的进化速率。进一步，研究对相关基因进行挖掘，发现多个快速进化和正选择基因参与了骨骼和胶原等附叶组织相关发育通路，这可能是造就叶海龙表型高度特化的潜在原因。该研究使用CRISPR-Cas9基因编辑技术对其中一个关键基因bmp6进行了斑马鱼敲除实验。结果显示，突变型肌间刺发育受到显著影响，表明该基因对骨骼发育的重要作用。

该团队前期研究表明海龙科鱼类化学感受器家族显著收缩而叶海龙较其他海龙科物种丢失了更多，其中OR和V1R嗅觉受体数量为已报道硬骨鱼类中最少。研究表明，鱼类OR的数量与生境复杂程度显著相关。叶海龙专性栖息于海草床生态系统，对特定生境具有高度依赖性，加上食性单一、不善游动和迁徙等特性，故研究推测其嗅觉受体大量丢失与其适应独特的生境有关。

在长期的进化过程中，叶海龙和草海龙高度特化的表型以及生活方式使其能够完美地适应特殊的海草床生态系统。然而，近年来在气候变化和人类活动的共同影响下，海龙的适宜栖息被严重破坏。研究使用物种分布模型进行预测发现，与线纹海马等广布种相比，区域特有物种叶海龙和草海龙的适宜栖息地范围将在本世纪末发生锐减，现有的栖息区域在未来或将不再适合其生存（图4）。此外，海龙的扩散能力极弱，难以长距离迁徙至新的适宜环境。因此，制定海龙保护策略需要考量物种本身以及未来气候变化和生境类型。

研究工作得到国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年科学基金、中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。