鲈形目快速多样化鱼类中昼夜节律系统的趋同纬度侵蚀

《PLOS Genetics》：Convergent latitudinal erosion of circadian systems in a rapidly diversifying order of fishes

　　

生物钟使生物能够预测周期性环境变化，然而在高纬度或深海生境中，驯化这些节律的昼夜线索常呈季节性减弱或缺失。鲈形目（Perciformes）鱼类已在上述无节律生态系统中快速多样化，这引发了一个问题：昼夜节律及生物钟遗传架构的改变是否是其演化成功的一个组成部分。研究人员采用比较基因组学方法，调查了96种鲈形目及5种外类群物种核心生物钟基因丢失的模式。研究发现核心钟基因存在广泛且谱系特异性的丢失，尤其在趋同演化的极地亚目南极小龙亚目（Notothenioidei）与杜父鱼亚目（Cottoidei）中最为显著。这种钟基因丢失趋势随物种纬度升高而显著增强。为确定这些基因组特征是否反映节律性的功能丧失，研究人员对三种南极小龙鱼类进行了代谢表型分析，发现所有南极小龙鱼类在晚秋南半球均一致缺乏昼夜代谢振荡，包括南极辐射适应姊妹谱系亚南极的Eleginops maclovinus。鲈形目内的实验数据结合亚目水平的基因丢失模式表明，昼夜约束的释放发生于其多样化早期，可能促进了这些鱼类向极地与深海生境的反复扩张。 大多数动物依赖内在生物钟使行为和新陈代谢与可预测的环境周期同步，生物钟紊乱与多种物种疾病相关。然而在深海或极地海洋等极端环境中，生物钟赖以驯化的常见环境线索常不规则或长期缺失。鲈形鱼类已反复定殖并多样化于这些严苛生境。其生物钟发生了什么？通过分析96种鲈形目物种的基因组组装，研究人员识别出该支系内核心昼夜“钟”基因的广泛重复丢失，这种遗传衰退在高纬度极地物种中最显著。为评估这些基因组变化是否对应昼夜生物学的改变，研究人员测定了南极与亚南极鱼类的代谢率，两组均缺乏可检测的代谢节律，包括无明显钟基因丢失的物种。结合其他鲈形目物种数据，这些发现表明部分谱系可灵活放弃昼夜节律，且这可能发生于特定鲈形目支系分化早期。这种灵活性有助于其在季节周期高度不规则的生境中取得成功，其中放松的选择压力可能进一步驱动昼夜钟组分的降解。

研究背景与问题提出

地球自转与公转等天体节律塑造了光暗、潮汐等可预测环境周期，绝大多数生物演化出内源转录-翻译反馈环（TTFL）为核心的生物钟以预期最优能量投入时机。核心TTFL由正性转录因子Clock与Arntl（亦称Bmal）异二聚化结合E-box启动子，驱动负性调控因子Cryptochrome（Cry）与Period（Per）表达并反馈抑制该复合物，周期约24小时。然而高纬度极地生境存在极昼极夜导致光暗周期季节性中断，深海生境则永久缺失光线索，常见zeitgeber（授时因子）失效。鲈形目约占辐鳍鱼9%、高纬度鱼类多样性66%，包含南极小龙亚目、杜父鱼亚目等快速辐射支系，且常沿深度轴多样化至超6000米海沟。前期对南极小龙鱼、深海狮子鱼与鳗胡瓜鱼独立研究已提示核心钟基因丢失，但功能证据有限且缺乏跨谱系比较。本研究核心问题即：钟基因与生理节律紊乱是限于少数谱系还是鲈形目广布特征，其是否与极地/深海定殖协同演化。

研究人员对96种鲈形目及5种外类群共101套基因组，以梭鲈（Sander lucioperca）与金头鲷（Sparus aurata）为双参考基因组，用TOGA进行全基因组比对与直向同源推断，判定33个保守钟基因状态（完整、部分完整、丢失、不确定丢失），并以Miniprot+BLAST与OrthoFinder交叉验证；结合AquaMaps纬度深度数据，用MCMCglmm与phyloglm拟合零膨胀模型检验基因丢失与环境关联；用随机特征映射（SCM）重建祖先节点丢失概率；对三种南极小龙鱼（Eleginops maclovinus、Pseudochaenichthys georgianus、Chaenocephalus aceratus）及对照欧洲鲈（Dicentrarchus labrax）在48小时黑暗静息态下用间歇流呼吸仪连续监测有氧代谢率（?O₂），以六阶多项式或单相衰减模型拟合昼夜振荡。论文发表于《PLOS Genetics》。

主要技术方法概括

研究人员构建101物种双参考全基因组比对体系，用TOGA注释27个核心钟基因直向同源与截短突变并经Miniprot/BLAST校正参考偏倚；利用AquaMaps获取79种鲈形目均值纬度与深度，以MCMCglmm零膨胀泊松/高斯与phyloglm系统发育广义线性模型量化纬度-丢失计数关系；以phytools做不可逆丢失随机特征映射重构谱系与极地/深海生境转移；代谢实验采用南美Reloncaví峡湾与南极Low Island/Dallmann Bay采集的活体样本，在0.1℃与4℃驯化后于黑暗呼吸仪记录48小时?O₂轨迹。样本队列覆盖南极辐射种、亚南极姊妹种及温带对照。

研究结果

核心生物钟组分筛选：研究人员在鲈形目中锁定33个保守钟关联基因，含clocka/clockb/npas2、arntl1a/1b/2a/2b、per1a/1b/2a/2b/3、cry1a/1b/2/3a/3b/4/5/dash、csnk1da/db/e、timeless、nr1d1/2a/2b、roraa/rab/rorb/rorc/ca/cb；其中arntl1b、cry3b、cry4、per1a、csnk1da、nr1d1在两参考基因组均未注释，推定全鲈形目缺如。

鲈形目生物钟基因丢失模式：101基因组比对共记录125例次丢失，归并谱系为80个丢失事件，显著集中于南极小龙亚目与杜父鱼亚目。cry与per旁系同源家族收缩具显著性（p=0.001、p=0.049），arntl/clock/ror收缩不显著。南极小龙鱼丢失集中于cry1b/cry2/per2a/per3；杜父鱼亚目额外丢失clocka/arntl2a/cry5/rorab等，两亚目趋同丢失cry2/cry3a/per2a/per3。外类群大西洋大比目鱼（Hippoglossus hippoglossus）虽非鲈形目却在cry3a出现丢失且其分布入北极。

钟基因突变谱：丢失形式含框移、提前终止、外显子缺失与剪接位点破坏。arntl2a前6外显子在刺鱼科整体删除，clocka前19外显子在多刺鱼与雅浦海沟狮子鱼（Pseudoliparis yap）平行缺失，cry2与per3多数物种无完整外显子且同线区连续装配支持真丢失。

丢失与生境趋同：随机特征映射显示南极小龙与杜父鱼共同祖先丢失概率近零，丢失事件在后代谱系重复独立发生，且与向≥66°纬度或≥1000米深度转移高度吻合，近缘种生境分异即伴钟基因侵蚀分异。

丢失与纬度相关：控制深度混淆后，6个系统发育模型中纬度绝对值与对数转换丢失计数呈显著正相关（高斯模型最优），深度在部分模型亦显著，证明高纬度而非单纯深海是主要驱动。

南极小龙鱼代谢无昼夜振荡：欧洲鲈48小时?O₂呈25±0.83小时周期振荡，而E. maclovinus、P. georgianus、C. aceratus三者无论亚南极或南极种均维持平稳基线，单相衰减拟合无周期项，表明表型节律丧失先于南极谱系大规模基因组侵蚀（E. maclovinus仅不确定丢失无确证丢失）。

讨论与结论翻译

研究人员发现生物钟基因丢失与纬度相关且在鲈形目南极小龙亚目与杜父鱼亚目趋同演化，南极小龙鱼代谢节律缺失将基因组丢失联系于昼夜系统瓦解。结合既往鲈形目研究，结果凸显两亚目固有昼夜可塑性；高纬与深海放松选择下的中性漂变可能是丢失机制，但全亚目基因与表型同步侵蚀暗示祖先期已解除严格昼夜约束，降低对钟的依赖或作为历史偶然性组件助推其极地/深海成功。核心正因子clockb/npas2/arntl1a恒保留，cry1a/cry1b至少留一拷贝，per3在硬骨鱼中本就频失，多基因兼具DNA修复等多效功能故被保留。昼夜可塑性至少在鲈形目内独立起源两次。研究人员总结：许多核心钟基因在南极小龙与杜父鱼两高纬深海常见支系中被破坏，丢失程度随纬度增强，南极与亚南极南极小龙均无日代谢节律而呈稳态基线；极地与深海虽施予冷压等多重选择，但昼夜调控改变（可塑性加遗传侵蚀）代表对严格昼夜依从的祖先约束之释放，或驱动其在无节律生境中的成功。慢性昼夜紊乱于多数脊椎动物有害，解析此类鱼如何在弱化钟控下维持生理稳态，可反推无节律环境韧性机制。