鱼的刺是怎么来的

许多鱼类物种把鳍的一部分进化成尖锐的、带刺的、针状的元素——叫做鳍刺——用来保护鱼类免受捕食者的攻击。这些刺在不同的谱系中独立进化，被认为是鱼类多样性的进化驱动因素。在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，康斯坦茨大学的一个研究团队展示了鳍刺是如何从软鳍中产生的，以及它们如何在多个鱼类群体中独立出现。

　　

在电影《一条叫旺达的鱼》中，反派奥托毫不费力地吞下了肯鱼缸里的所有鱼。然而，现实就比较残酷了。至少有一名不幸的粉丝重演了这一幕，但因为一条鱼卡在喉咙里被送进了医院。这也是鱼类学(鱼类科学研究)上的一个痛苦的教训，即某些鱼类的防御是由针尖的鳍刺组成的。

事实上，许多鱼类都有两种鱼鳍，一种是“普通”软鳍，它钝而灵活，主要用于运动;另一种是鳍刺，它很锋利，骨化程度很高。由于鳍刺的作用是减少鱼类的可食用性，它们提供了强大的进化优势。棘鳍鱼有超过18000名成员，是种类最丰富的鱼类家族。这些鱼甚至进化出单独的只有刺的“刺鳍”。因此，鱼鳍的进化被认为是决定鱼类多样性和进化成功的主要因素。

发表在《美国国家科学院学报》（PNAS）上发表的研究中,康斯坦茨大学的研究人员Joost Woltering博士和他的博士生以及这项研究的第一作者Rebekka Höch在Axel Meyer教授的实验室展示了鳍棘是如何在胚胎发育过程中产生的。他们还解释了在不同的鱼类谱系中，脊骨是如何独立地从祖先的软鳍进化而来的。这项研究的重点是一个模式物种，棘鳍类热带淡水鱼丽鱼科慈鲷鱼（Astatotilapia burtoni），它拥有发达的软鳍和刺鳍部分。

作为第一步，研究小组测定了胚胎发育期间软鳍和刺鳍的基因图谱。“从这些最初的实验中，我们清楚地看到，一组我们从鳍和肢体发育中已经知道的基因在脊椎和软鳍条内变得不同地活跃，”Rebekka Höch说。这些基因对应于所谓的主调节基因，并被认为是决定轴骨骼和肢体骨骼的形态。在鱼鳍中，这些基因似乎提供了一种基因密码，决定了新出现的鱼鳍成分是长得像脊椎还是像软鳍。

接下来，研究小组确定了控制这些主调节基因的基因通路，这些基因通路决定了它们在鳍上不同位置的活动。“重要的是，我们能够使用化学工具，即所谓的抑制剂和激活剂，以及‘基因剪刀’CRISPR/Cas9来解决这些途径的作用，从而测试在开发过程中刺状和软鳍是如何建立的，”Joost Woltering说。他是康斯坦茨大学生物系的助理教授，也是这项研究的通讯作者。

在他们的实验中，科学家们能够改变鱼鳍中棘和软鳍的数量。当所谓的BMP(骨形态发生蛋白)信号被调节时，这种效应最为显著。Joost Woltering解释说:“我们不仅看到了主调节基因激活的变化，而且我们还观察到了所谓的同源性转化，即软鳍变成了刺，或者反过来，刺鳍变成了软鳍。”

另一个观察结果是，在这些鱼中，不仅鳍的形态发生了变化，而且伴随鳍的颜色也发生了变化。“雄慈鲷的鳍上有亮黄色的斑点，但这些斑点仅限于软鳍的部分。我们观察到，当一条软鳍变成脊椎时，鱼鳍在这个位置上的黄色斑点也消失了，”Joost Woltering说。这一观察结果表明，在棘鳍类鱼中，硬刺和软鳍是一个更大的发育模块的组成部分，该模块决定了鳍的一些可见特征。

当这个谜团被解开时，研究小组意识到在刺状鳍的进化过程中，一个非常保守的模式系统被重新部署了。“事实上，决定有刺的鳍域的遗传密码在没有刺的鳍中也很活跃。这表明一种古老的遗传模式被重新部署用于制造脊柱，”Rebekka Höch说。

考虑到这一新的见解，作者开始研究鲶鱼的鳍型，鲶鱼是一组在鳍上独立进化出刺的鱼。事实上，为慈鲷的脊骨鉴定的遗传密码与鲶鱼的脊骨匹配。尽管不同的带刺鱼类物种之间存在一些差异，但这表明存在着一种高度保守的鳍型，当进化选择有利于这种鳍型时，这种鳍型是用来制造刺的。

接下来的工作

在未来的研究中，该团队将专注于已识别的脊椎下游的基因和软鳍控制基因，以找出它们是如何通过控制骨化和细胞生长途径来改变鳍的形态的。Joost Woltering总结道:“最后，我们想要更好地了解新的解剖结构是如何产生的，使得一些物种比其他物种更成功，以及这些结构是如何促进鱼类谱系的不可思议的进化多样性的。”

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Rebekka Höch, Ralf F. Schneider, Alison Kickuth, Axel Meyer, and Joost M. Woltering (2021) Spiny and soft-rayed fin domains in acanthomorph fish are established through a BMP-gremlin-shh signaling network. PNAS; DOI: 10.1073/pnas.2101783118