非洲火山湖慈鲷视觉系统与信号性状在早期物种形成中对不同光环境的快速分化

本研究针对非洲火山湖慈鲷(Astatotilapia calliptera)早期生态成种过程中视觉系统与信号性状的适应性分化机制展开。通过整合视网膜转录组学、表型分析和视觉建模，发现浅水与深水生态型在视蛋白(SWS2A/SWS2B)表达谱和雄性卵斑颜色上存在显著差异，且与栖息地光环境变化相匹配。该研究首次揭示了调控进化在感官适应中的主导作用，为理解生态成种的早期驱动因素提供了新视角。

　　

在生物多样性热点地区东非大裂谷，年轻的火山湖孕育着令人惊叹的物种快速分化现象。其中马索科湖(Lake Masoko)的慈鲷鱼Astatotilapia calliptera在约1000年内分化出浅水沿岸型和深水底栖型两种生态型，为研究物种形成的早期机制提供了理想模型。然而，这种快速分化背后的感官适应机制尚不明确，特别是视觉系统如何响应不同深度光环境的变化，以及这种变化如何影响与繁殖相关的信号性状。

为解答这些问题，由Madeleine Carruthers和M Emilia Santos共同领导的国际团队在《Molecular Biology and Evolution》发表了突破性研究。研究人员结合环境光学测量、视网膜转录组测序(RNA-seq)、雄性卵斑色彩量化分析和视觉建模等技术，对两种生态型进行了多维度比较。样本来自坦桑尼亚马索科湖不同深度(浅水<10m，深水>20m)的野生群体，通过SCUBA采集后立即进行视网膜组织保存和表型记录。

环境光测量揭示深度相关光谱变化

水下光谱分析显示，深水区(>20m)光强度不足浅水区的3%，且光谱带宽显著变窄，形成以蓝绿光为主的单峰分布。这种变化与11-16m处的温跃层和氧跃层密切相关，为后续视觉适应研究提供了环境背景。

视蛋白表达谱的生态型分化

通过PCA分析发现，两种生态型在视蛋白表达模式上显著分离(PERMANOVA P=0.003)。深水个体表现出从短波长敏感型SWS2B向SWS2A的转换，同时中波长视蛋白RH2Aβ/RH2B表达上调，形成窄带蓝绿光敏感模式。值得注意的是，视蛋白编码序列变异有限，9个多态位点均未显示等位基因频率差异，表明调控进化是视觉系统早期分化的主要驱动力。

暗视觉相关基因的深度适应

虽然视杆蛋白RH1表达量无显著差异，但视网膜特异性视黄醇脱氢酶基因RDH8和RDH12的编码变异显示出生态型特异性分布(P<0.05)。这些基因参与视紫红质再生循环，其变异可能优化了深水环境的暗视觉功能。全局转录组分析还发现33个差异表达基因，其中21%与视觉功能相关，包括视网膜发育基因CLDNC、CRB3A等。

雄性信号性状的协同进化

通过CIELAB色彩空间分析发现，深水雄性具有更红的卵斑(hue差异Δ=0.153，P<0.001)和更暗的臀鳍背景。视觉模型预测这种红移能增强在深水蓝绿光环境中的信号对比度，最优色彩对从浅水的S560nm转变为深水的S582nm。这种信号-环境匹配模式符合感官驱动理论，表明性选择与自然选择的协同作用。

该研究首次在自然种群中证实，视觉系统的调控进化可在物种形成早期快速发生，并先于信号性状的适应性改变。这一发现拓展了对生态成种机制的理解，揭示感官适应在促进生殖隔离中的先导作用。特别值得注意的是，在不足千年的分化时间内，慈鲷鱼已通过转录调控实现了视觉敏感性的生态型特异优化，这种快速适应可能为解释其他辐射性适应事件提供了新范式。研究建立的"环境光-视觉系统-信号性状"关联框架，也为理解动物通讯系统的进化开辟了新途径。