中国特有洞穴金线鲃属鱼类眼睛形态特征适应性演化及其与眼睛基因相关性的研究

In adaptating to perpetual darkness, lots of adaptive features evolved in cavefish, such as losing eyes and body pigmentation. The freshwater teleost genus Sinocyclocheilus (Cypriniformes: Cyprinidae) is endemic to China. The genus contains many surface-dwelling species and cave-dwelling species with different degrees of eye degeneration. Studies on the molecular evolution of some gene sequences are difficult to systematically answer the molecular mechanism of adaptive evolution in cavefish. We first compare the histology of eyes of surface and several cave species in Sinocyclocheilus. Next, we will choose transcriptional regulators which might play roles in eye adaptive evolution of cave Sinocyclocheilus, and detect their expression levels in eyes of more surface and cave species. Then, combined with the molecular phylogeny of DNA sequences of candidate transcriptional regulators, we will discuss the potential roles of candidate genes and the molecular mechanism during eye adaptive evolution in cave Sinocyclocheilus. Finally, to identify genes and genetic pathways that evolved in constant darkness, we will use RNA-seq to compare eyes of surface and cave species. This will deepen our understanding on the evolutional mechanism of the cavefish eyes during adaptating cave environment.

洞穴鱼类在黑暗条件下长期生存，演化出许多独特的适应性特征，如眼睛和色素缺失。金线鲃属是我国特有鱼类类群，大部分种类生活在洞穴环境中，洞穴种类金线鲃的眼睛呈现由逐渐变小直至彻底消失的表型。仅就个别基因序列的系统演化加以研究，很难对穴居动物眼睛适应性演化的分子机制做出系统的阐明。本项目选取眼睛正常的地表金线鲃和眼睛退化程度不同的洞穴金线鲃作为实验材料，比较它们眼睛的形态结构差异；选取可能在洞穴种眼睛适应性演化过程中发挥作用的转录调控基因，检测它们在不同类型金线鲃眼睛中的表达水平；结合这些转录因子DNA序列的系统演化分析结果，深入探讨相关调控基因在洞穴种眼睛适应性演化过程中可能发挥的作用和分子机制；最后，根据以上结果，选取一种洞穴金线鲃，利用新一代高通量测序技术，对其眼睛进行转录组测序，全面系统的鉴定其与地表种之间的差异表达基因，探讨洞穴种转录组的进化，加深对洞穴环境下鱼类眼睛适应性演化机制的认识。

洞穴环境终年黑暗无关、食物匮乏，眼睛退化是洞穴生物的最显著特征之一。金线鲃属鱼类包括25个眼睛退化的洞穴种和30多个具有正常视力的地表种。独立演化的不同谱系的洞穴鱼是否具有相似的眼睛退化机制，是研究洞穴生物适应性演化的核心问题之一。首先，我们比较了5种不同类型金线鲃的眼睛形态和视网膜结构，发现3种洞穴金线鲃的感光细胞存在不同程度的长度变短和数目减少。定量PCR发现视网膜发育转录调控因子crx在角金线鲃和无眼金线鲃眼睛中的表达显著下调，foxg1b仅在无眼金线鲃中下调，但是在瓦状角金线鲃未发现检测的几个调控因子存在表达下调。于是我们通过转录组测序对瓦状角金线鲃进行研究，发现otx5b的表达缺失可能在其眼睛退化过程中发挥关键作用。接下来，我们克隆测序了6个眼睛相关基因在12种金线鲃中的基因组序列，构建了12种金线鲃物种的最大似然树，并对每个基因进行正选择检测，发现foxg1b基因受正选择作用。最后，通过对无眼金线鲃和狭孔金线鲃脑转录组的研究，鉴定出参与脑内胆固醇合成和分解的多种酶类表达显著下调、溶酶体相关基因显著上调。. 综上所述，本项目通过对多种金线鲃的视网膜形态、基因表达和系统演化的研究，发现不同洞穴金线鲃具有不同的眼睛退化表型和不同的基因表达模式。这说明，金线鲃属内的洞穴鱼类可通过不同的遗传策略实现眼睛的退行性演化这一特征。本项目发现foxg1b不仅在无眼金线鲃眼睛中表达下调、而且受到正选择作用，这说明金线鲃眼睛退化因生存环境不同而受选择作用的，也为未来的深入研究提供了方向。同时，本项目还发现无眼金线鲃可能通过降低脑内胆固醇代谢速度和提高溶酶体相关的物质降解再利用效率，以节约物质和能量消耗，从而适应食物匮乏的洞穴环境。