尖头鱥不同地理种群对温度适应的分子机制研究

Temperature is an important environmental factor that affects many of biological processes. Organisms usually employ gene regulation to make them to adapt the environmental temperature. Interspecific and intraspecific differences in thermal tolerance are heritable and reflected in variation of gene sequence and gene expression. Rhynchocypris oxycephalus, a typical cold-water cyprinid fish, widely distributed in China, and acclimates wide temperature range. Therefore, this fish is a well material to investigate the thermal adaptation mechanism. In this project, critical thermal method is used to study the intraspecific variation in whole-animal thermal tolerance. Using molecular biology techniques, 5 genes (hsc70、hspA1A、hsp90α、atf3 and mmp13a) related to temperature regulation will be cloned and then employed to investigate whether there is sequence variation among populations. The intraspecific variation in gene expression of these temperature related genes will be detected both under the conditions of heat stress using different temperature in the laboratory and under natural conditions. Finally, the molecular mechanism of thermal adaptation for R. oxycephalus will be demonstrated by analysing the above intraspecific variation. This project will provide research data and examples of thermal adaptation for fish, and be helpful to predict possible impacts of global climate change on fish.

温度是影响生物各项生命活动的重要环境因子。自然界中，生物利用基因调节温度适应的机制普遍存在。不同物种和种群对温度的适应性差异是可遗传的，主要表现为基因序列的变异和基因表达水平的差异。尖头鱥是一种典型的冷水性鲤科鱼类，分布范围较广，分布区温度跨度较大，是研究鱼类温度适应机制的良好材料。本项目拟采用临界温度法研究尖头鱥不同地理种群的耐热能力差异；利用分子生物学技术和方法，克隆5个温度调控相关基因 (hsc70、hspA1A、hsp90α、atf3 和mmp13a)，研究这些基因在不同地理种群间是否存在变异；并检测这些基因在实验室不同温度胁迫下不同地理种群间的表达差异；以及在自然条件下不同地理种群间的表达差异；总结分析不同地理种群的温度适应性特点，从而探讨尖头鱥温度适应的分子机制。该项目的研究将为鱼类的温度适应机制研究提供资料和例证，同时为预测全球气候变化对鱼类可能产生的影响提供参考。

温度是影响生物各项生命活动的重要环境因子。自然界中，生物利用基因调节温度适应的机制普遍存在。不同物种和种群对温度的适应性差异是可遗传的，主要表现为基因序列的变异和基因表达水平的差异。尖头鱥是一种典型的冷水性鲤科鱼类，分布范围较广，分布区温度跨度较大，是研究鱼类温度适应机制的良好材料。本项目采用临界温度法研究了尖头鱥不同地理种群的耐热能力差异，结果表明北方种群（辽宁盖州）比南方种群（浙江杭州）具有更宽的温度耐受范围，暗示北方种群具有更强的温度适应能力。利用分子生物学技术和方法，克隆了与温度调控相关的热休克蛋白基因 hsc70，结果发现该基因在南方种群和北方种群间存在较大的序列变异，两个种群之间的平均遗传距离达到5.6%。利用转录组测序技术，检测实验室不同温度胁迫下不同地理种群间的基因表达差异，结果表明不同温度胁迫（低温和高温）可以引起不同程度的基因表达差异，主要包含热休克蛋白基因家族和免疫相关基因等；对于部分相同的差异表达基因，低温和高温的不同处理会引起相反的应答方式（上调或下调）；在热胁迫条件下，北方种群比南方种群具有更多的差异表达基因（583 VS. 484），这与北方种群具有更强的温度适应能力相符合，而南方种群的部分基因（热休克蛋白基因和免疫相关基因等）在控制组条件下已经具有较高水平的表达，推测这是南方种群对其生存环境较高水温的应答反应。该结果表明以尖头鱥为例的冷水鱼类中低纬度种群对气候变化更敏感，需要加强保护。本项目的研究为鱼类的温度适应机制研究提供了资料和例证，同时为预测全球气候变化对鱼类可能产生的影响提供了参考，具有重要的科学意义。