近日，中國科學院煙臺海岸帶研究所董志軍研究員與南海海洋研究所林強研究員等合作在海洋水母運動模式與生活史策略研究取得新進展，揭示了燈塔水母平衡囊缺失及其逆向發(fā)育的進化特征與遺傳基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Genomic and single-cell analysesreveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish”為題發(fā)表于Nature Communications。
水母具有極其復(fù)雜的生活史與環(huán)境適應(yīng)策略，在適宜條件下，水母水螅體可通過出芽生殖進行快速種群增殖，并通過橫裂生殖釋放多個碟狀體（The Innovation Geoscience,2024）；而在逆境條件下，可通過足囊生殖維持其種群的生存過程（Molecular Ecology,2024）。水母也是海洋中最古老的無脊椎動物類群之一，是海洋關(guān)鍵進化節(jié)點生物。在后生動物中，維持運動平衡感知的器官形式多樣，從水母的簡單平衡囊到哺乳動物的復(fù)雜內(nèi)耳，其演化過程一直是學界探究的熱點。平衡囊是水母定向和重力響應(yīng)反饋系統(tǒng)的重要器官，切除平衡囊會導致水母運動定向功能和矯正功能受損。與其它水母相比，燈塔水母缺少平衡囊，表現(xiàn)出直線游動的運動特征，不同于有平衡囊水母（如海月水母）的自由游動形式（圖1）。而燈塔水母這種獨特的運動模式影響了其生存策略，在長期的演化過程中燈塔水母衍生出從水母成體到水螅體的逆向發(fā)育能力，據(jù)此，燈塔水母被稱為“返老還童”的“永生水母”而聞名世界。然而，學界目前對該水母獨特的運動模式和生存策略的遺傳調(diào)控機制仍不清楚。
基于上述科學問題，研究團隊組裝了染色體水平的燈塔水母（Turritopsis rubra）和海月水母（Aurelia coerulea）基因組，并與其它刺胞動物基因組進行比較分析，發(fā)現(xiàn)燈塔水母的耳石形態(tài)發(fā)生和纖毛運動相關(guān)基因受到顯著選擇或缺失；對四種水母平衡囊的轉(zhuǎn)錄組比較分析也表明參與纖毛運動的基因在燈塔水母感覺器官中表達顯著降低，推斷其可能與燈塔水母無法形成平衡囊相關(guān)。
基于比較基因組學分析，發(fā)現(xiàn)“耳石形態(tài)發(fā)生”（OMs）的基因家族在燈塔水母中發(fā)生特異性丟失。據(jù)此，研究團隊在海月水母中對該基因進行原位雜交和RNA干擾實驗，發(fā)現(xiàn)該基因主要在海月水母平衡囊組織區(qū)域表達，而敲降該基因則會導致海月水母碟狀體無法正常發(fā)育出平衡囊，證明該基因在水母平衡囊形成中發(fā)揮了重要功能。
在水母中，毛細胞（hair cell）位于平衡囊底部，對平衡石的定向輸運及平衡囊正常功能至關(guān)重要。研究團隊進一步解析了燈塔水母和海月水母的細胞圖譜，并重點關(guān)注兩種水母毛細胞基因表達模式差異。單細胞轉(zhuǎn)錄組跨物種比較分析表明，燈塔水母毛細胞表現(xiàn)出與微管運動活性、纖毛組裝和動力蛋白復(fù)合物相關(guān)基因的低表達或不表達，這些基因被報道參與維持纖毛的擺動和運動以確保平衡石的組裝和精確定位。此外，與細胞發(fā)育相關(guān)通路也在燈塔水母毛細胞中下調(diào)，可能導致形成無功能或功能障礙的毛細胞，進而導致燈塔水母的平衡囊缺失。
對燈塔水母五個發(fā)育階段的單細胞轉(zhuǎn)錄組分析表明，在逆向發(fā)育過程中，滯育相關(guān)基因在囊（cyst）階段顯著富集，持續(xù)的休眠狀態(tài)可能更有利于燈塔水母應(yīng)對不利環(huán)境。此外，該研究發(fā)現(xiàn)囊和浮浪幼體的基因表達模式具有相似性，囊階段干細胞及相關(guān)發(fā)育基因的表達也為囊在合適條件下重新萌發(fā)為新的水螅體提供細胞和遺傳基礎(chǔ)。
燈塔水母不同發(fā)育階段細胞圖譜及逆向發(fā)育細胞和基因基礎(chǔ)
綜上，該項研究揭示了燈塔水母平衡囊缺失及其逆向發(fā)育的進化特征與遺傳基礎(chǔ)，探討了水母遺傳學、運動模式和生存策略之間的復(fù)雜關(guān)系，為深入認識海洋動物運動演化和適應(yīng)策略提供了新見解。
煙臺海岸帶研究所董志軍研究員、王方晗博士生、李勇學博士生和南海海洋研究所劉雅莉副研究員為本文共同第一作者，南海海洋研究所林強研究員和煙臺海岸帶研究所董志軍研究員、趙建民研究員為本文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查計劃、國家重點研發(fā)計劃、泰山學者計劃、煙臺海岸帶研究所研究組群等項目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49848-z
