「魚(yú)離不開(kāi)水」，是人人皆知的常識(shí)。
但有一種魚(yú)，卻必須時(shí)不時(shí)離水呼吸，如果長(zhǎng)時(shí)間只在水裏待著，很容易溺亡。不僅如此，它甚至能在極端乾旱的陸地上進(jìn)入休眠狀態(tài)，不吃不喝持續(xù)數(shù)月乃至數(shù)年之久，直到雨季來(lái)臨才重新恢復(fù)正常活動(dòng)。
這種神奇的魚(yú)便是「非洲肺魚(yú)」，至今已在地球上存在4億多年。作為現(xiàn)存最接近四足動(dòng)物的近親，非洲肺魚(yú)被認(rèn)為是破解脊椎動(dòng)物從水生到陸生演化的關(guān)鍵物種。
9月13日，華大生命科學(xué)研究院在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表非洲肺魚(yú)呼吸器官最新研究成果。研究基於華大智造自主研發(fā)的DNBelab C4單細(xì)胞建庫(kù)測(cè)序平臺(tái)，構(gòu)建了迄今最完整的非洲肺魚(yú)呼吸器官在夏眠和水生環(huán)境中的高解像度單細(xì)胞圖譜，為進(jìn)一步探索脊椎動(dòng)物演化之謎提供重要依據(jù)。該研究是繼2021年華大研究院參與構(gòu)建全球首個(gè)非洲肺魚(yú)完整基因組後的又一代表性成果。
為探索脊椎動(dòng)物器官演化提供依據(jù)
非洲肺魚(yú)的顯著特徵是具有多重呼吸系統(tǒng)，其在水環(huán)境和陸地環(huán)境均以肺為主要呼吸器官，鰓和皮膚輔助呼吸。其中，非洲肺魚(yú)的肺結(jié)構(gòu)，具有現(xiàn)代脊椎動(dòng)物肺的原始形態(tài)，也因此成為研究四足動(dòng)物呼吸器官進(jìn)化的關(guān)鍵物種。
本次研究團(tuán)隊(duì)基於華大智造單細(xì)胞建庫(kù)平臺(tái)DNBelab C4，對(duì)來(lái)自非洲肺魚(yú)肺組織的53,605個(gè)細(xì)胞和來(lái)自非洲肺魚(yú)鰓組織87,347個(gè)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)序，構(gòu)建了迄今最完整的非洲肺魚(yú)呼吸器官高解像度細(xì)胞全景圖。
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合此前發(fā)表的非洲肺魚(yú)基因組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室誘導(dǎo)夏眠33天的非洲肺魚(yú)和對(duì)照組取樣，在非洲肺魚(yú)肺和鰓中分別鑑定出14和22種細(xì)胞類(lèi)型，首次以高解像度圖譜形式展現(xiàn)了非洲肺魚(yú)呼吸器官的細(xì)胞組成。
「非洲肺魚(yú)的進(jìn)化地位比較特殊，研究其呼吸系統(tǒng)能夠反映脊椎動(dòng)物登陸過(guò)程中的狀態(tài)變化。」文章共同通訊作者、深圳華大生命科學(xué)研究院數(shù)碼化地球研究所主任科學(xué)家范廣益表示，「本次研究構(gòu)建的單細(xì)胞圖譜全面描述了非洲肺魚(yú)呼吸器官的細(xì)胞類(lèi)型組成，為後續(xù)探索脊椎動(dòng)物呼吸系統(tǒng)的進(jìn)化和適應(yīng)提供了寶貴的資源。」
揭示非洲肺魚(yú)陸化過(guò)程中的細(xì)胞和分子特徵
脊椎動(dòng)物從水到陸地的轉(zhuǎn)變是進(jìn)化史上的一個(gè)裏程碑事件。作為一種古老的物種，非洲肺魚(yú)具備諸多進(jìn)化過(guò)程中的過(guò)渡特徵，可視為魚(yú)類(lèi)到兩棲類(lèi)的中間形態(tài)。
為進(jìn)一步揭示早期脊椎動(dòng)物由水到陸過(guò)程中器官、組織的變化，研究團(tuán)隊(duì)基於本次構(gòu)建的單細(xì)胞圖譜，對(duì)非洲肺魚(yú)夏眠組和對(duì)照組的肺和鰓組織展開(kāi)深入比較。研究團(tuán)隊(duì)從細(xì)胞組成、分子表達(dá)差異和細(xì)胞間互作層面進(jìn)行差異分析，結(jié)果表明，短期夏眠不會(huì)造成細(xì)胞類(lèi)型層面的增加或缺失，而一些關(guān)鍵的細(xì)胞，如肺泡上皮細(xì)胞和鰓增殖細(xì)胞，則在夏眠期間顯示出細(xì)胞代謝層面的顯著下調(diào)。
此外，研究團(tuán)隊(duì)利用已發(fā)表的關(guān)鍵脊椎動(dòng)物呼吸器官單細(xì)胞數(shù)據(jù)，從細(xì)胞和基因表達(dá)調(diào)控層面進(jìn)行物種間的比較分析。結(jié)果表明，儘管非洲肺魚(yú)的肺在結(jié)構(gòu)上較為原始，但其基本的細(xì)胞組成和關(guān)鍵基因表達(dá)與高等哺乳動(dòng)物具有較高的相似性，具備高等哺乳動(dòng)物肺的基本功能。該研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了非洲肺魚(yú)與典型脊椎動(dòng)物呼吸器官的同源性。
本研究成功構(gòu)建了非洲肺魚(yú)呼吸器官細(xì)胞全景圖，揭示了非洲肺魚(yú)細(xì)胞類(lèi)型的多樣性，以及在夏眠過(guò)程中的基因表達(dá)和細(xì)胞互作關(guān)係，並從細(xì)胞層面解析了魚(yú)鰾和非洲肺魚(yú)肺細(xì)胞類(lèi)型之間的廣泛同源性。
文章共同第一作者、青島華大研究院聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生張瑞華表示：「本次研究為陸地脊椎動(dòng)物的演化，尤其是呼吸系統(tǒng)的演化提供了數(shù)據(jù)支撐。後續(xù)團(tuán)隊(duì)將開(kāi)展非洲肺魚(yú)呼吸系統(tǒng)相關(guān)的系列研究，希望為描述脊椎動(dòng)物的演化過(guò)程提供更多關(guān)鍵證據(jù)。」
深圳華大生命科學(xué)研究院數(shù)碼化地球研究所主任科學(xué)家范廣益研究員、南京師範(fàn)大學(xué)教授Inge Seim為本文的共同通訊作者。青島華大研究院張瑞華、劉群、潘珊珊為本文共同第一作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（No.32170439）, 海南省科技重大專(zhuān)項(xiàng)（ZDKJ2019011）等項(xiàng)目的支持。（記者 林麗青）
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