文昌魚的分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究

李靖 宋以柱 閻雪姣 吳薇

(青島市海洋科技成果推廣中心，山東青島 266000)

文昌魚是從無脊椎動物進化到高等脊椎動物中間的過渡動物，長久以來，文昌魚一直被認為是脊椎動物祖先的模型。基于它在進化上的重要性，受到了國內(nèi)外動物學(xué)家的青睞。隨著分子生物學(xué)技術(shù)在動物學(xué)研究上的應(yīng)用，再一次激發(fā)了動物學(xué)家對文昌魚分子結(jié)構(gòu)研究的興趣；并充分證實了文昌魚在脊椎動物起源與演化研究中占據(jù)的重要位置。文昌魚是研究脊椎動物及其組織器官系統(tǒng)發(fā)生以及研究進化發(fā)育生物學(xué)的理想模型，對揭示脊椎動物基因組的進化具有很高的學(xué)術(shù)研究價值。

1 文昌魚的概況

文昌魚隸屬脊索動物門的頭索動物亞門，也叫全索亞門。之所以被稱為頭索動物，主要是因為這類動物的脊索能夠縱貫全身，例如，這類動物的脊索能夠直接延伸到神經(jīng)管的前面。而文昌魚的最大特征就是頭和腦沒有完全的進化，又被動物學(xué)研究學(xué)家定義為無頭類動物(Acrania)。這種動物的外形比較接近于蟲類，但是在血統(tǒng)上與蟲類具有一定的差異性。

文昌魚的物種數(shù)超過了20種，其主要分布在地球熱帶、亞熱帶的8～16m的淺水海域中，它的身體經(jīng)常掩蓋在海底的細沙中，同時文昌魚主要吃浮游生物為主。在北緯48°至南緯40°之間的環(huán)形地區(qū)內(nèi)文昌魚的分布較多。我國的廈門和青島等沿海地區(qū)出產(chǎn)的文昌魚也很多，由于其具有較高的營養(yǎng)價值和藥用價值，被很多地區(qū)的消費者視為珍品。

2 文昌魚的進化背景

2.1 對文昌魚和海鞘是脊椎動物姐妹群的關(guān)系論證

1998年動物研究學(xué)家Naylor對脊椎動物、頭索動物、原口動物等在內(nèi)的19個動物的線粒體基因進行了組裝；并利用這19個全線粒體基因組上的13個蛋白編碼基因與所有核酸、僅顛換的核酸、氨基酸序列等三個不同的數(shù)據(jù)集，對它們的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進行了重新構(gòu)建。在分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究的基礎(chǔ)上，充分證實了文昌魚與脊椎動物的連帶關(guān)系。同時還有其他動物學(xué)家Spruyt等對其他地域的文昌魚進行了研究，如：地中海沿岸等地，并對其線粒體基因進行了測序，通過對11個物種的研究，對其分析系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系進行了重新構(gòu)建。從而充分證實了文昌魚是無脊椎動物和脊椎動物之間的過渡物種。但是之后對尾索動物(海鞘)的研究，又得出了相悖的答案。可見，這兩種具有代表性的姐妹亞門物種，雖然都保留了祖先特征，但是由于文昌魚的身體結(jié)構(gòu)保留的祖先特征要多于海鞘，特別是胚胎的發(fā)育情況接近于脊椎動物，因此文昌魚的身體構(gòu)造與海鞘相比更加復(fù)雜。

2.2 與海鞘進化的對比分析

2.2.1 證實了海鞘更加接近脊椎動物

有些動物學(xué)家對文昌魚的進化地位提出了質(zhì)疑，有些生物學(xué)家認為海鞘更類似原始無頭祖先，并推測出海鞘與脊椎動物的關(guān)系更加接近。然而這種爭議一直延續(xù)到2005年，主要是因為雙方之間并沒有充分的證據(jù)去讓對方信服。動物學(xué)家Blair根據(jù)59條氨基酸序列構(gòu)建了鄰接樹和最大似然樹，并采用貝葉斯的方法推測了尾索動物與現(xiàn)存的脊椎動物類群具有親緣的關(guān)系，肯定了脊椎動物與海鞘的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系。文昌魚(頭索動物亞門)在9億年前就已經(jīng)與祖先分開，而尾索動物亞門與脊椎動物祖先在7.5億年前才分開。同時動物學(xué)家Philippe利用146個基因組建了35個種類的演化樹，并以分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的角度為出發(fā)點，證實了海鞘是現(xiàn)在同脊椎動物類群關(guān)系最為接近的物種。另外，2006年Delsuc在發(fā)表的論文中指出：海鞘是最為接近脊椎動物的物種。他在研究的過程中利用146個基因構(gòu)建了37種生物演化樹，應(yīng)運用最大簡約法和貝葉斯法，得出了海鞘與脊椎動物大支聚在一起，而文昌魚卻聚在一個枝。這項研究否定了文昌魚進化的地位，但是文昌魚在脊椎動物起源演化研究中仍占核心的位置，在研究過程中需要反復(fù)的論證。

2.2.2 文昌魚分子研究

在對文昌魚的分子研究，證實了海鞘是同脊椎動物更近的進化關(guān)系，Putman對美國佛羅里達文昌魚進行了全基因組測序，在與其余11個物種聯(lián)合后，得出了1090個單拷貝直系同源基因集，并通過最大似然和貝葉斯兩種構(gòu)樹算法證實了海鞘同脊椎動物關(guān)系最為接近的說法。近年來，在對其他中類的文昌魚(魯卡側(cè)殖文昌魚、白氏文昌魚)的全基因進行測序研究，并通過這些數(shù)據(jù)的分子系統(tǒng)發(fā)育樹分析，也得出了相同的論證，即文昌魚與脊椎動物和海鞘的進化關(guān)系。

2.2.3 文昌魚細胞水平分析

還有一些細胞水平上的對比分析，尾索動物要比文昌魚同脊椎動物的親緣關(guān)系更加接近，但是由于海鞘丟失了大量的祖先基因，有些祖先的特征并沒有保存下來。但是在對文昌魚的形態(tài)和細胞水平進行研究時，發(fā)現(xiàn)文昌魚仍保留一些祖先原有的形態(tài)特征。它的復(fù)雜器官，受到了研究人員的特別關(guān)注。與此同時，文昌魚的基因組并未發(fā)生很大的變化，如大規(guī)模的復(fù)制、基因的加速、基因的丟失等。例如,Homebox基因家族成員在海鞘中保存了76個亞家族，脊椎動物也丟失了7個，現(xiàn)存的只有94個，但是文昌魚基因組卻保留了整個亞家族(101個)。根據(jù)這些對比發(fā)現(xiàn)，文昌魚保存了祖先的特征，但是海鞘相對于文昌魚來講，其保存的數(shù)量卻很少。

總而言之，從對文昌魚的研究結(jié)果可以看出，其進化的地位逐漸被海鞘所代替，特別是在其他動物研究人員論證了海鞘才是與脊椎動物最為接近的物種。但是由于它的特殊因素，同樣也成為研究脊椎動物起源與演化等方面問題的重要物種之一。

3 文昌魚的分子系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

文昌魚種類發(fā)現(xiàn)較早，但是研究人員并沒有對其進行命名，大多數(shù)的文昌魚種類命名的時間大約都在1970年。到目前為止，針對文昌魚分類的研究論文較少，同時關(guān)于文昌魚方面的專著也較少，這就充分說明了文昌魚分類學(xué)已經(jīng)逐漸被文昌魚研究人員邊緣化。另外，文昌魚種類之間的外形特征并不能明顯地區(qū)分出。同時，文昌魚在海洋生物中體積比較小，分類系統(tǒng)不穩(wěn)定，這就導(dǎo)致了這種現(xiàn)象的再次發(fā)生。例如，對魯卡側(cè)殖文昌魚進行研究，并將其建立一個單獨的新屬，即偏文昌新屬。而Nelson、Poss等通過研究提出了不同的看法。他們認為這個單獨的新屬為無效的屬，其應(yīng)該被納入側(cè)殖文昌魚屬。在這種爭議之下，日本文昌魚專家分別對三種文昌魚種類進行了分析，在不斷擴增它們的線粒體細胞色素亞基和16SRNA和DNA序列，結(jié)合其他兩種文昌魚已有的COI和16SRNA利用最大似然法構(gòu)建了文昌魚目屬間的分析系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。兩個線粒體DNA分子標記結(jié)果均支持偏文昌魚屬。

中國青島以南至廣西北海海岸線是中國文昌魚主要分布的地區(qū)。廈門海域中和青島海域中分布的文昌魚種類主要是以白氏文昌魚和青島文昌魚為代表。Luo運用mtDNA中的COI和細胞色素b亞基片段作為分子標記，并通過運用最大簡約法構(gòu)建了基于兩個序列的青島文昌魚、白氏文昌魚、日本文昌魚的系統(tǒng)發(fā)育樹(白氏文昌魚+青島文昌魚+日本文昌魚)，并計算了中間的平均遺傳距離。研究發(fā)現(xiàn)，日本文昌魚與青島文昌魚均聚攏在系統(tǒng)發(fā)育樹的一枝，它們之間存在著種內(nèi)差異，而白氏文昌魚和青島文昌魚分別處于系統(tǒng)發(fā)生樹不同的大枝，且兩者遺傳距離達到了種間差異水平，支持它們?yōu)椴煌N的觀點。

隨著文昌魚種類的增加，文昌魚內(nèi)部的系統(tǒng)也發(fā)生了變化。有些動物學(xué)家對不同種類的文昌魚的分歧時間進行了推測，并指出白氏文昌魚與佛羅里達文昌魚的分歧時間在1.3億年前。

迄今為止，具有2個以上文昌魚物種構(gòu)建的分子系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建基礎(chǔ)是mtDNA，但是通過基因組與轉(zhuǎn)錄組大數(shù)據(jù)水平構(gòu)建的分子發(fā)育系統(tǒng)樹最多只能包含2種文昌魚。所以，在大數(shù)據(jù)水平下，構(gòu)建多種文昌魚的分析系統(tǒng)發(fā)育樹，并且對文昌魚體內(nèi)不同種間、同屬的分歧時間進行推測，這些都為研究文昌魚的演變特征提供了理論基礎(chǔ)。