还记得《舌尖上的中国》里被大叔钩走煮熟的弹涂鱼么？这些外表呆萌的家伙是两栖硬骨鱼中最大的一族。它们有鳃，却可以在陆地上用胸鳍行走。与其他硬骨鱼类相比，弹涂鱼具有显著的陆生习性，这样科学家们非常感兴趣。当然，他们并不关心弹涂鱼“能好怎”，而是希望通过它们研究脊椎动物从水生向陆生演化的过程。近日，来自深圳华大基因研究院石琼研究组对弹涂鱼进行了全基因组测序，发现了帮助弹涂鱼在陆地上生活的遗传基础。研究结果发表在了《自然通讯》（Nature Communications）上。果壳网科学人对论文的第一作者游欣欣进行了采访。
从水下到陆上
泥盆纪生物从水生到陆生的转变，是脊椎动物演化史中最重要的事件。这种转变最终导致了四足动物的出现。许多后来出现的两栖硬骨鱼在适应陆地生活的过程中演化出了用来行走的胸鳍、更佳的视力和对氨的耐受力。然而此前，人们对这些演化的基因和分子基础还知之甚少。
深圳华大基因的研究团队对4种在演化上有连续性的弹涂鱼进行了测序，它们分别是：大弹涂鱼（Boleophthalmus pectinirostris，BP）、大鳍弹涂鱼（Periophthalmus magnuspinnatus，PM）、青弹涂鱼（Scartelaos histophorus，SH）和齿弹涂鱼（Periophthalmodon schlosseri，PS）。这四种弹涂鱼代表了弹涂鱼一组居住习性从水中向陆地过渡的全过程。
研究涉及的四种弹涂鱼的栖息地示意图。青弹涂鱼（SH）和大弹涂鱼（BP）主要生活在水中，齿弹涂鱼（PS）和大鳍弹涂鱼（PM）则有更多时间在陆地上活动。图片来源：研究论文
四种弹涂鱼的组装基因组大小均比预计的略小一些，从大到小依次是BP、SH、PS、PM，似乎是水生习性强的物种基因组相对较大。研究者们对四种弹涂鱼的1913个直系同源基因进行了研究。进化树显示这四种弹涂鱼组成了明显与其他硬骨鱼不同的分支。在这个分支中，SH和BP是一个姐妹组的，PS和PM是另一组的——前两个是主要在水中生活，后两个更喜欢陆地。
除此之外，“我们还发现了免疫、嗅觉相关的基因发生明显的变化。”游欣欣告诉果壳网科学人。研究显示。与1400万年前的其他鳍刺类鱼不同，弹涂鱼获得了几百个与免疫、视觉、嗅觉、氨排泄等能力相关的基因突变，这些突变可以帮助弹涂鱼在陆地上生活。
武装到基因
陆地对于鱼儿来说像是另外一个世界。为了适应陆地环境，弹涂鱼需要做好准备。研究者们找出了684个弹涂鱼有而在他们分析的其他硬骨鱼中不存在的基因。这些基因主要掌管免疫，可以帮助弹涂鱼对抗陆地上的那些新型病原体。TLR13基因家族便是其中一个例子。“这是一类能特异性识别细菌23S rRNA的先天免疫受体基因，它们在弹涂鱼中出现了明显的扩张。”游欣欣向果壳网科学人介绍道，“一般鱼类只有1-3个（斑马鱼例外，有7个）TLR13基因，但大弹涂鱼和大鳍弹涂鱼基因组中被分别鉴定出了11个TLR13基因。”
样貌独特的大弹涂鱼。图片来源：Chun-Keung Ching
除了陆地上的病原体，环境中的氨也是其中一个威胁。弹涂鱼比其他水生生物对氨有更强解毒能力，这归功于它们鳃中的与氨排泄相关的基因。研究者们研究了9个氨排泄的关键基因，发现这些基因都经历了正向选择。“正向选择，简单来讲，就是该基因的非同义突变与同义突变的比率明显高于其他基因。”游欣欣告诉果壳网科学人，在对鳃中氨排泄通路的核心蛋白开展研究，他们发现，与水生习性强的大弹涂鱼相比，陆生习性强的大鳍弹涂鱼中的Rhesus糖蛋白c在核心功能区域有着更多的疏水性氨基酸残基，能更有效地排泄NH3分子。
探索新世界
在后续的分析中，研究者们发现，编码视蛋白的基因在大弹涂鱼和大鳍弹涂鱼中发生了明显的突变。与其他硬骨鱼相比，这两种弹涂鱼对长波长敏感的视蛋白LWS1和LWS2对颜色的感受范围更大。实际上，大弹涂鱼的颜色感受能力可以与人类媲美。
但其他硬骨鱼相比，弹涂鱼对水中的气味认知就相对有限了。大弹涂鱼和大鳍弹涂鱼中分别存在32和33个嗅觉受体基因，其中20和17个为感受水体嗅源的d型受体。“鉴于多数硬骨鱼类有30-71个d型嗅觉受体基因，我们推论弹涂鱼在d型受体上有所收缩，因此在感觉水体来源的气味分子方面能力有限。”有趣的是，游欣欣对果壳网科学人表示：“多数陆生脊椎动物中存在200-1200个感受气体嗅源的a和g受体，但弹涂鱼基因组上不存在这两种亚型，这似乎与其在陆地上觅食和求偶等习性不相吻合。”
犁鼻器受体（vomeronasal receptors，VR）能感受性外激素和环境气味分子，其中V1R和V2R两种亚型分别能与空气来源和水体来源的气味分子结合。“多数鱼类的V1R少于V2R，但弹涂鱼中V1R多、V2R少，可能与陆生四足动物一样通过V1R来感受空气嗅源。”游欣欣说。
“这项研究提供了精细的弹涂鱼基因组图谱，并从免疫、氨耐受、视觉和嗅觉方面阐述了脊椎动物适应两栖习性的基因和分子水平机制。”游欣欣总结道。从水中到陆地，弹涂鱼经历了一场华丽的冒险。通过对基因组的变化进行分析，研究人员可能能将这场冒险的细节一点点还原在世人面前。（编辑：Calo）