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巨型水母的基因组和狩猎的进化

发布日期:2021-09-03 15:26:25   浏览量 :709
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尽管水母的外表看起来很简单,但它可能有助于我们了解几亿年来动物生命是如何进化的。在这篇博客中,BMC生物学杂志的一篇新论文的作者解释了他们从野村水母的基因组中发现的东西。

水母属于刺胞动物门,该门还包括珊瑚、海葵和九头蛇。刺胞动物是后生动物中最早的分支之一,大约在5亿年前,这个群体经历了显著的多样化。刺胞菌是目前99%的现存动物(包括人类)的姐妹种群,研究刺胞菌可以揭示复杂动物生命进化中的重大事件。

虽然两侧对称动物在陆地和海洋上都很成功,但刺胞动物却一直呆在水里。在刺胞动物中,水母可以说是最活跃的:用最少的能量游泳和狩猎猎物,使它们成为地球上最有效的喷气推进器之一。与其他刺胞动物相比,它们独特的生活方式反映在不同的基因和突变上,这些基因和突变已经被积极地选择了数百万年。例如,我们发现它们有发达的肌肉和神经信号相关基因发表在BMC生物学杂志上,当它们垂直和水平游动时,它们进化出了对渗透的快速控制,能够在不同浓度的溶质中生存。

理解甚至定义水母的最好方法是将水母基因组与其他含有足够分化的基因和蛋白质的刺胞动物基因组进行比较。由于水母和其他刺胞动物(如水螅和珊瑚)的进化距离非常遥远,因此比较它们的表型很容易。然而,在这个水平上,很难精确定位水母水母样的基因变异。幸运的是,已经有许多cnidarian基因组发表了,我们已经检测到蛋白质域、基因和通路,这些都是足够具体的,可以从遗传学上定义水母。

为了比较水母的基因组,我们需要找到一些水母!-在这方面,我们很幸运,有许多巨大的水母漂浮在韩国温暖的南部海岸。这些巨型水母身长2米,重达200公斤,被称为野村水母。在日本,这种水母有时被认为是一种食物,有时也很危险,有时甚至是致命的。直到最近,野村证券的水母还主要在黄海和南中国海附近被发现,这些海域现在已经延伸到南太平洋。也许是由于全球变暖和过度捕捞剑鱼和金枪鱼,野村的水母现在在韩国和东海的水域里繁盛起来。

我们捕获了其中一个,对其基因组和转录组进行测序,并将其与其他cnidarian和bilaterian基因组进行比较。第一步是用测序仪上的短(Illumina)和长(PacBio) DNA片段组装它的基因组。在那之后,确定与其他七种刺胞动物基因组(如珊瑚、海葵和水螅)相比的基因差异就成了一个问题。

目前,已经发表了7个cnidarian基因组(包括野村的水母)。我们的重点是利用基因差异来解释水母的功能,因为它们在形态上有明显的差异。野村的水母属于“真正的水母”——另一种水母“月亮水母”的基因组,最近发表在《自然生态与进化》杂志上。

结果证明,对于cnidarian来说,它的基因组大小适中,为2.13亿bp。与人类的3英镑相比,这是一个很小的基因组。尽管如此,它拥有几乎相同数量的基因(19,525)。由于HOX基因影响体型,我们通过分析HOX基因来展示HOX基因的不同组合。水母在刺胞动物中是独一无二的,因为它们的头(钟形水母)和尾巴(触手)。虽然我们观察到水母基因组中HOX基因的独特基因组组织,但目前还没有模型将HOX表达和下游发育途径与特定的物理特征联系起来。

通过基因组比较,我们还发现水母基因组似乎比其他刺胞动物更能适应“细胞化学稳态”和“钠离子转运”功能。正如前面提到的,这是有道理的,因为它们必须长途跋涉才能在水中垂直和水平捕获猎物。

水母并不聪明,它们没有大脑、眼睛或其他感觉器官。它们独特的圆形铃铛周围只有很小的感觉结构。这些感觉结构被称为rhopalia。水母利用它的栉水母和神经系统(神经网络)来识别光和气味。与人类、果蝇、斑马鱼等bilaterian动物相比,我们发现水母与其他刺胞动物的感觉受体相关基因家族大量减少。

水母用触须捕捉猎物。它们也是一种重要的防御机制。为了给它们带来臭名昭著的刺痛,它们进化出了一种叫做线虫囊的特殊结构。它们的触须上有成千上万的cnidcells,每个cnidcells上都有成千上万个线虫囊,当受到刺激时,这些cnidcells会释放出成千上万微剂量的毒液。典型的水母毒液包括磷脂酶A2和金属蛋白酶,而且我们确实发现了许多与毒液相关的蛋白质结构域和基因,这些结构域和基因适合于活跃的捕食者。

水母基因组是一个有趣的基因表型连锁的例子。在进化过程中,它在一个身体的结构(钟形和触手)、化学(水的渗透性适应)和功能(喷气推进的肌肉运动)方面显示出了遗传特征。

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