近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所林強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)在海龍科魚類對珊瑚共棲的適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Symbiosis with and mimicry of corals were facilitated by immune gene loss and body remodeling in the pygmy seahorse”為題發(fā)表于國際著名綜合性期刊PNAS，并入選封面論文和同期亮點(diǎn)推薦（Article Highlights：Extreme mimicry ties pygmy seahorses to symbiotic corals）。同時，The New York Times（紐約時報(bào)）發(fā)表了題為“How the Pygmy Seahorse Lost Its Snout”的長篇評述文章，系統(tǒng)介紹了該工作的創(chuàng)新價值和意義。中國科學(xué)院南海海洋研究所副研究員曲朦和博士后張穎懿為本文的共同第一作者，研究員林強(qiáng)和教授Axel Meyer為共同通訊作者。
圖1?豆丁海馬對宿主柳珊瑚的擬態(tài)表型（圖引自《紐約時報(bào)》，https://www.nytimes.com/2025/08/25/science/evolution-genetics-seahorses.html）
海洋生命的起源與多樣性演化是當(dāng)前海洋科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的核心。在廣闊的海洋中，珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)蘊(yùn)含著極高的生物多樣性，也驅(qū)動了諸多海洋新生命的出現(xiàn)。在漫長的演化歷程中，珊瑚礁物種展現(xiàn)出多彩斑斕的體色，同時伴隨了個體小型化的規(guī)律，進(jìn)而更好地適應(yīng)復(fù)雜的珊瑚礁環(huán)境。海龍科物種是典型的小型硬骨魚類，主要棲息于珊瑚礁和海草床等生態(tài)系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)前期工作已明確了海龍科物種適應(yīng)性進(jìn)化過程中諸多復(fù)雜性狀的進(jìn)化與遺傳調(diào)控機(jī)制（Qu et al.,Science Advances,2021;Liu et al.,Nature Communications,2022）。然而，近期調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分海龍科物種因棲息珊瑚而發(fā)生了完美的擬態(tài)行為，以提高其生存機(jī)會，這種對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的特異性適應(yīng)機(jī)理目前尚缺乏相關(guān)研究。
豆丁海馬（Hippocampus bargibanti）是已知體型最小的硬骨魚類之一，成體全長僅有1-2厘米，其終生專性棲息在柳珊瑚（Muricella spp.）上生存。與其它海馬相比，豆丁海馬沒有育兒袋結(jié)構(gòu)，胚胎植入雄魚體內(nèi)發(fā)育，進(jìn)化出一類“雄性體內(nèi)懷孕”模式。為了更好融入宿主柳珊瑚環(huán)境，豆丁海馬呈現(xiàn)出驚人的擬態(tài)特征：全身覆蓋類似柳珊瑚的瘤狀結(jié)節(jié)，“長吻”退化，使其與柳珊瑚在視覺上幾乎“融為一體”（圖1）。眾所周知，柳珊瑚分泌的毒素屬于自然界中最致命的天然毒素之一，這給豆丁海馬與柳珊瑚的零距離接觸也帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；而兩者之間這種獨(dú)特的附生關(guān)系如何形成，或者柳珊瑚驅(qū)動豆丁海馬體型演化的調(diào)控機(jī)制一直被學(xué)界所特別關(guān)注。
為了解開這些謎題，研究團(tuán)隊(duì)對豆丁海馬展開了多組學(xué)和生物實(shí)驗(yàn)解析，發(fā)現(xiàn)豆丁海馬基因組中丟失了大量與體型大小和頜面骨骼發(fā)育相關(guān)的保守非編碼區(qū)（CNE），結(jié)合RNA-seq、ATAC-seq等數(shù)據(jù)的比較研究，發(fā)現(xiàn)這些丟失的CNE可通過調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)模式，而影響頜面骨骼的生長發(fā)育過程。特別有趣的是 hoxa2b 基因發(fā)生了假基因化（即失去功能），據(jù)此，基于CRISPR基因編輯實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了敲除 hoxa2b 基因會導(dǎo)致魚類頜面骨骼發(fā)育畸形。由此，我們認(rèn)為CNE丟失和關(guān)鍵基因（如 hoxa2b）的功能突變，是驅(qū)動豆丁海馬體型極度小型化和短吻表型的關(guān)鍵遺傳因素。據(jù)此，本研究首次提出珊瑚能驅(qū)動其共棲物種小型化的新觀點(diǎn)（圖2）。
圖2?豆丁海馬CNE丟失與hoxa2b基因的功能突變是驅(qū)動體型小型化和短吻表型的關(guān)鍵調(diào)控因素
豆丁海馬棲息于柳珊瑚過程中，珊瑚分泌物對其生存是一把“雙刃劍”。一方面，豆丁海馬的神經(jīng)傳導(dǎo)和離子通道相關(guān)基因發(fā)生了顯著的快速進(jìn)化，這表明它們可能衍生出對珊瑚毒素更強(qiáng)的耐受或抵抗能力；另一方面，豆丁海馬能夠利用宿主珊瑚分泌物的免疫保護(hù)功能來抵御外源病原體，這可能與豆丁海馬大量丟失其免疫相關(guān)基因有協(xié)同演化關(guān)系。由此推斷，這種“免疫精簡”策略不僅可降低其能量消耗，更有助于其“雄性體內(nèi)懷孕”模式的形成，有效避免了在胚胎著床過程中的免疫排斥反應(yīng)（圖3）。這種高度依賴宿主，并通過主動“精簡”自身基因組來獲取生存優(yōu)勢的過程，恰好符合了生物學(xué)中“黑皇后假說”（Black Queen Hypothesis）的典型例證——舍棄某些“昂貴”的功能，依賴“伙伴”提供。
圖3?豆丁海馬對柳珊瑚適應(yīng)的進(jìn)化與遺傳調(diào)控機(jī)制
然而，在長期的演化過程中，珊瑚礁物種的適應(yīng)輻射也可能帶來潛在的生存風(fēng)險(xiǎn)，畢竟豆丁海馬對柳珊瑚的依賴性已不可逆轉(zhuǎn)。這意味著，未來全球氣候變化和人類活動一旦威脅到其特定的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)，將直接對豆丁海馬等物種構(gòu)成嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)。
本工作一經(jīng)發(fā)表即受到國際學(xué)界的高度關(guān)注。巴塞羅那大學(xué)著名遺傳學(xué)家Cristian Ca?estro指出：“在生命的演化中，基因丟失現(xiàn)象十分普遍。但這項(xiàng)出色的研究提供了一個清晰的例證，說明基因丟失有時反而能帶來益處，從而促成進(jìn)化上的創(chuàng)新和適應(yīng)性變化”。海洋生物學(xué)家Richard Smith表示：“這項(xiàng)研究揭示了一種殘酷的現(xiàn)象。這些海馬之所以能夠成功繁衍，正是得益于它們具備的一些特征，如完美的偽裝能力、小巧的體型以及獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)，但如今這些特征恰恰成了它們應(yīng)對環(huán)境變化最大的弱點(diǎn)”。
上述研究工作由國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目共同資助完成。
相關(guān)論文信息：Qu M#,Zhang YY#,Woltering J,Liu YL,Liu ZX,Wan SM,Jiang H,Yu HY,Chen ZL,Wang X,Zhang ZX,Qin G,Schneider R,Meyer A*,Lin Q*. Symbiosis with and mimicry of corals were facilitated by immune gene loss and body remodeling in the pygmy seahorse,PNAS,2025,122 (35):e2423818122.
原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2423818122
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