Pax6基因与弹尾纲眼区的发育和进化关系

The unclear phylogenetic position of Collembola (springtails) has severely impeded the study on the phylogeny of Arthropoda. Based on morphological and molecular phylogenetic studies, the relationships of Collembola with Crustacea and Insecta are hotly debated. Exploring evolutionary questions from the perspective of developmental biology is a new breakthrough. Collembolans have many kinds of eyes，from 0+0 to 8+8 ocelli, but so far, there is no report on their molecular developmental machanism. Studying the sequences and functions of collembolan Pax6 genes,the highly conserved "master control" genes for the development of animal eyes, is supposed to obtain brand new evidences for the evolutionary position of Collembola. In this study, the whole length of Pax6 genes (eyeless and eyegone) from two collembolan species, Ceratophysella denticulata (with eyes) and Folsomia candida (with no eye), will be sequenced, and compared with Pax6 genes from crustaceans and insects. The gene expression differences will be monitored at different developmental stages. Transgenetic drosophilas with eyeless or eyegone gene from eyed or eyeless collembolans will be observed to investigate functions of collembolan Pax6 genes. In addition, we will setup the RNAi and transgenetic experiment platforms for collembolans. Combining molecular, developmental and bioinformatic methods, the proposal focuses on the evolution and function of collembolan Pax6 genes, and aims to obtain brand new and robust evidences for the phylogenetic position of Collembola in Arthropoda. Building of the platform for collembolan developmental studies will expand new research for basal hexapods.

弹尾纲（跳虫）的进化地位悬而未决，形态学和分子系统学研究对跳虫与昆虫和甲壳动物的亲缘关系争论不休。从发育生物学的角度探讨进化问题是新的突破点。跳虫拥有从无眼到8+8单眼等多种形态的眼，但对其眼区发育的分子机制未见报道。通过探讨高度保守的调控动物眼发育的Pax6基因对跳虫眼区发育的调控机制，将为解决跳虫的进化问题带来新的证据。本研究拟测定有眼和无眼跳虫的Pax6(eyeless和eyegone)基因全长，与甲壳动物和昆虫的同源序列进行比对，分析有眼和无眼跳虫中两个基因的表达量和表达时空的差异，观察其在果蝇中异位表达所引起的表征变化，并建立跳虫的RNAi和转基因实验体系。综合分子生物学、发育生物学和生物信息学方法，探讨跳虫Pax6基因的进化和功能问题，以求为跳虫的进化地位，以及Pax6基因与跳虫眼区的发育关系等问题提供有力的全新证据。跳虫发育研究平台的建立，将为低等六足动物研究拓展新的方向。

基于形态和分子进化研究，弹尾纲（跳虫）与昆虫和甲壳动物的亲缘关系一直争论不休。从发育生物学的角度探讨进化问题是新的突破点。研究眼的分子发育机制，对各种动物不同形态眼的起源和进化问题有着很强的启示作用。与昆虫的复眼不同，跳虫的眼相对简单：一些种类拥有不同数目的小眼（1+1到8+8），还有些种类没有表面眼区结构。高度保守的Pax6基因被称为眼发育的主要调控基因。通过探讨Pax6基因对跳虫眼区发育的调控机制，可以为解决跳虫的进化问题带来新的证据。 . 本研究首次克隆了生活于枯枝落叶层中的细齿球角跳（8+8小眼）和生活于土壤中的白符跳（无眼）的Pax6的同源基因，通过分子进化分析确认为与昆虫Pax6同源的eyeless、twin of eyeless和eyegone基因，支持跳虫与昆虫的近缘关系。随后，我们在果蝇中实现了跳虫Pax6基因的异位表达，通过表型观察发现有眼跳虫和无眼跳虫的Pax6都能诱导果蝇形成异位眼或复眼变大等异常表型，这与果蝇中对应的同源基因功能一致。但是，无眼白符跳的Pax6的转录激活能力明显比果蝇和有眼球角跳中对应的同源基因的转录激活能力弱很多。通过基因删除和重组实验，我们发现跳虫Pax6蛋白的羧基末端结构域是其转录激活能力不可或缺的，并决定了它们转录激活能力的差异。我们的研究结果表明Pax6基因在调控动物眼发育功能方面高度保守。白符跳长期生活在黑暗环境中，眼发育相关基因受到选择压力较小，导致其Pax6蛋白羧基末端某些关键位点发生了突变，从而通过影响蛋白结构而降低了其转录激活能力。我们的研究结果首次为跳虫眼的单系起源提供了分子证据，并证明跳虫眼的退化是一种适应性演化。. 本研究为跳虫眼的发育和进化问题拿到了新的证据，力证了跳虫的系统发生地位和高度保守的Pax6基因对跳虫眼区发育的调控机制。通过本研究，我们还建立了跳虫发育研究平台，为低等六足动物的发育-进化（evo-devo）研究拓展了新的方向。