小體鱘屬於鱘魚。它的基因組是理解脊椎動物祖先之謎的一個重要部分。
圖片來源: Andreas Hartl
有時被稱為“淡水魚中的瑪士撒拉”，從進化的角度來看，鱘魚和它們的近親非常古老。化石表明，鱘魚的歷史可以追溯到2.5億年以前，至少從它們的外表來看，這一時期的變化非常小。因此，查爾斯·達爾文為它們創造了“活化石”一詞也就不足為奇了。
維爾茨堡大學(University of Wurzburg)和萊布尼茨淡水生態與內陸漁業研究所(Leibniz Institute of Ecology and Inland Fisheries, IGB)的科學家與康斯坦斯、法國和俄羅斯的同事現在已經成功地對小鱘(Acipenser ruthenus)的基因組進行了測序，這是一種相對較小的鱘魚。他們能夠證明，自恐龍全盛時期以來，遺傳物質也幾乎沒有改變。科學家們將他們的研究結果發表在最新一期的《Nature Ecology and Evolution》雜誌上。
脊椎動物的祖先
“鱘魚基因組是幫助我們瞭解脊椎動物祖先的一塊重要拼圖。”Manfred Schartl教授解釋了科學家們對這種魚類感興趣的原因。Schartl是最近發表的這項研究的主要作者，也是維爾茨堡大學(University of Wurzburg)發展生物化學系的高級教授。就進化史而言，鱘魚是地球上最古老的物種之一。它們是現存的3萬多種硬骨魚類的祖先，也因此是超過96% 的現存魚類和大約一半的已知脊椎動物物種的祖先。
Schartl和他的同事們能夠證明，在大約3.45億年前的上泥盆紀或石炭紀時期，鱘魚在某個時期分支出了它們自己的進化路線。“從那時起，它們的外觀幾乎沒有改變，這一點在它們的遺傳物質——DNA上也很明顯，” Du Kang博士解釋說; 他這項研究的第一作者，同時也是維爾茨堡大學生物化學和分子生物學系的研究助理。
為了證實這一點，遺傳學家們必須仔細研究由小體鱘基因編碼的蛋白質。事實上，他們的計算表明，這種所謂的蛋白質進化的速度非常緩慢。IGB的進化生物學家Matthias Stöck博士說:“小體鱘的蛋白質進化速度與腔棘魚或鯊魚相似，這兩種魚類在海洋中游弋了3億多年，幾乎沒有變化。”
一億八千萬年前大範圍的基因組改變
序列分析顯示，小體鱘基因組包含120條染色體，約47,500個蛋白編碼基因和18億個鹼基對。研究人員還發現，大約1.8億年前，這種小體鱘複製了自己的基因組，讓這個物種擁有了四套染色體，而不是常規的兩套，在科學術語中，這被稱為四倍體。基因組複製並不令人驚訝，“這樣的過程已經多次對脊椎動物基因組的進化產生了重大影響，”Manfred Schartl說。在他們的進化史上，他們的祖先已經經歷了兩次“全基因組複製”。有些物種經歷了三到四次這樣的過程。
然而，讓科學家們感到驚訝的是，這種基因組的複製發生在鱘魚的悠久歷史中。康斯坦斯大學(University of Constance)進化生物學家Axel Meyer教授表示:“在這麼長的時間跨度內，我們本以為基因組會發生更深刻的變化，因為在四倍體生物中，基因片段往往會隨著時間的推移而丟失、沉默或獲得新的功能。”
基因組不確定性被消除
長期以來，科學家們對鱘魚的確切基因狀態一直存在爭議。雖然有些人認為是多倍體，這意味著基因組被複制了很多次，但另一些人把鱘魚解釋為“功能性二倍體”，這是指一個物種首先複製自己的基因組成為四倍體，然後隨著進化再次減少基因含量。雖然染色體仍然以兩對的形式存在，但它們之間會分配任務。
現在很清楚了:“我們已經發現，小體鱘並沒有恢復到二倍體的狀態。相反，它保留了高度的結構性和功能性的多倍體，”Manfred Schartl說。這種保留可以歸因於大部分小體鱘基因組的分子進化速度緩慢。
基因組複製:外行人可能會認為這讓科學家的工作更容易，因為所有東西都是複製的。但事實上，這給研究人員帶來了一個重大的技術挑戰。 “現代基因組測序方法提供給我們的組裝和分配小的‘DNA片段’變得極其困難，”Schartl說。然而，使用特殊的程序，我們能夠創建“一個非常好的參考基因組和有史以來第一個古老魚類的基因組”，這是國際研究合作的一部分。
保護物種的基因研究
基因測序是保護鱘魚物種的重要基礎。“在未來，我們將能夠使用基因分析來確定動物的性別，這將極大地促進育種。”這將使我們能夠控制繁殖，並支持繁殖種群的管理。這是我們努力保護這些古老物種的一個里程碑，”IGB的鱘魚專家Jörn Gessner博士說。
關於鱘魚
鱘魚原產於歐亞大陸和北美的亞熱帶、溫帶和亞北極河流、湖泊和海岸線。鱘魚壽命長，繁殖晚，通常不會在10歲之前。在許多鱘魚品種中，成年魚不斷地從海里遷移到淡水中產卵。人們非常喜歡它們的卵，也就是魚子醬。
由於棲息地的破壞、河流的破碎化、海洋的汙染以及兩千年來魚子醬的生產，大多數鱘魚物種現在處於滅絕的邊緣。由於禁止野生魚子醬貿易，鱘魚養殖業已經成為一個重要的產業，可以通過保證市場供應來保護野生種群。
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
https://phys.org/news/2020-03-sturgeon-genome-sequenced.html
作者單位：University of Würzburg
譯文校稿：LuLu
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