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【视频】与珊瑚海葵同类,为什么只有水母会游泳?

2019年06月07日 海洋宇宙

五颜六色的珊瑚、晶莹剔透的水母、海底花魁的海葵,如果要挑选海里最好看的生物,它们一定会榜上有名。虽然乍看起来,它们春兰秋菊,美色各有千秋,但实际上,它们都属于动物系统发育树中的同一类——刺胞动物门(Cnidaria,又称刺细胞动物门,旧称腔肠动物门)。水母在生命周期中幼年阶段的水螅型,也会和珊瑚、海葵一样固着在海底。那为什么刺胞动物门里只有水母能在海里自由游行?(图1)

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图1 水母会游泳的秘密

冲绳科学技术大学院大学(OIST)(图2)的戸篠祥博士等研究团队,成功鉴定出决定水母从固着的水螅型幼体向会游泳的水母型更替的基因簇[1]。相关研究结果已发表在2019年4月15日的《Nature Ecology & Evolution》上[文献1]。研究团队分析比较了两类水母的全基因组,从而定位到了从水螅型到水母型转化的决定性基因簇。基因组信息既可在线阅览[2],也可以和OIST的BLAST服务器上其他种类的基因组进行比较[3]。

与珊瑚海葵同类,为什么只有水母会游泳

图2 山海之间美不胜收的沖縄科学技術大学院大学/OIST(图/内阁府)

珊瑚、海葵从最初的幼虫成长到花托形状的水螅型后(图3),后两者就固着在海床的沉积物上,不再游动,一生保持这种水螅型状态,在希腊语中被称为“花卉动物”(Anthozoa),日语里被称为花虫纲。而水母(Jellyfish,又名白鲊、䖳)在生活史后期则会从水螅型转化成为人熟知的熠熠发光、美妙多姿的水母型。

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图3 水母的水螅型幼体

水母的体型有大有小。小的伊鲁康吉水母全长仅有12毫米,而最大的狮鬃水母触手可达35米长(图4)。

与珊瑚海葵同类,为什么只有水母会游泳

图4 狮鬃水母(AvaxNews)

水母的寿命也有长有短。通常水母寿命仅数月,但灯塔水母(Turritopsis nutricula)却是目前世上已知的唯一真正意义上长生不老、拥有不死之身的永生动物(图5)。灯塔水母通过分化转移的方式,能够从水母型再重返水螅型幼体;如果没有外力损伤或被捕食的情况下,这种“返老还童”的过程理论上没有次数限制,从而实现永生。

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图5 灯塔水母(Zooearth)

OIST的研究团队和德国研究者合作,比较了波罗的海的海月水母(Moon jellyfish,又称月亮水母,日语:水海月) (图6)和日本海域的白水母(日语:火海月)两个种类的全基因组。火海月由于强毒性,被蛰到后会有火烧般灼烧感而得名。从水螅型阶段结束脱离海底的时候,控制向水母型转化的基因开关开启,研究团队希望通过比较二者基因组信息能找到向水母型转化的普适规律。

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图6 海月水母

研究团队原本预测二者的基因组相似度,和珊瑚、海葵等比起来要高很多。结果却令人大吃一惊,海月水母基因序列和火水母的比起来,更接近花虫纲;二者遗传图谱一致性极低,远缘可以说近似于人类与海胆的距离。如此迥异的基因组序列,研究团队认为可能是由于火水母进化过程中发生过大幅再编程所致。由于未能发现保守的共同基因区域,所以推测不存在普适性的单个转化操纵基因(图7)。

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图7 幼年和成体的火水母

为了解释为什么珊瑚、海葵不能进化成水母,研究团队进而将海月水母和火水母的水螅型与水母型比较,找寻被活化的基因。继而发现花虫纲的珊瑚、海葵虽然和海月水母三分之二的基因表达模式相同,但缺少水母型游泳必需的肌肉、感受器等特定组织器官的基因。海月水母和火水母步入水母型后活化的特征基因,大约有100个左右是保守共有的,其中大部分属于控制其他基因表达时间和表达量的转录因子的编码基因。

下一步,研究团队将考察更多其他类型水母的基因组,以实现不同种群间更精确严密的比较,并期望破解水母的进化机制。

供稿 宋傑 东京大学博士
编辑修改 JST客观日本编辑部

参考文献:
1.Konstantin Khalturin, et al. Medusozoan genomes inform the evolution of the jellyfish body plan. Nature Ecology & EvolutIon | VOL 3 | MAY 2019 | 811–822 |

相关链接:
1.冲绳科学技术大学院大学新闻稿
2.在线浏览基因组
3. OIST的BLAST服务器

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