近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室研究員林強團隊與香港科技大學教授錢培元團隊合作，以線紋海馬（Hippocampus erectus）為研究對象，揭示視黃酸（Retinoic acid）在雄海馬育兒袋形成和懷孕過程中的關鍵分子與生理調控機制（圖1）。相關研究成果在線發表在The Innovation上。
在動物界，繁殖過程是物種基因延續和親本重要的投資策略，在演化過程中，動物的繁殖行為進化出多種模式。其中，海龍科魚類是動物界產生「雄性繁殖」行為的類群，是一個獨立進化分枝。對於整個海龍科物種而言，其懷孕過程伴隨行為、組織和基因水平的特異性變化，甚至在雌、雄個體間產生明顯的性別二態性，這是物種長期的適應性進化結果。海馬屬是海龍科物種中進化速率較快的物種（Nature，2016），它們衍生出較為完整的育兒袋結構，並在懷孕過程中出現獨特的胎盤結構。近期的研究證明，海馬等物種的雄性懷孕過程與哺乳動物的母體胎生繁殖方式存在顯著的趨同進化模式（National Science Review，2020）。
相較於其他海龍科物種，海馬基於其特異的體型模態和繁殖策略，被認為是研究動物複雜性狀演化的物種。海馬的育兒袋與哺乳動物的子宮在關鍵基因結構上具有顯同源性（PNAS，2020）。基於此，如果實現對海馬育兒袋結構與功能的解析，並與哺乳動物（甚至人類）的子宮和胎盤等結構與功能發生進行比較分析，為揭示動物界繁殖器官和功能的獨立演化模式研究提供理論支撐。在海馬的繁殖過程中，育兒袋的結構發生與功能特化是海馬得以實現其繁殖策略的「基石」，然而，關於海馬育兒袋發生、發育和懷孕過程的分子和生理調控機制未見報導。
研究人員利用代謝組學方法甄選與海馬育兒袋形成和懷孕顯著相關的194個差異代謝產物，包括斑蝥黃（canthaxanthin）、蝦青素（astaxanthin）等，同時在轉錄層面分析和鑑定2674個差異表達基因。基於轉錄組與代謝組學聯合分析，研究發現視黃酸在育兒袋發生發育過程中起到重要的調控作用。視黃酸可通過調控fshr和cyp7a1等重要基因的表達，影響睪酮（testosterone）、孕酮（progesterone）等激素代謝來影響育兒袋的形成；視黃酸還通過調控col4a1、shh、cybb等基因表達影響育兒袋的組織重塑、器官發育和免疫過程。該研究對海龍科育兒袋發育驅動機制研究有重要意義，也為後續相關研究提供切入點。
該研究發現視黃酸可能調控海馬懷孕過程的抗氧化防禦功能。抗氧化物因其與轉運蛋白、轉錄因子、視黃酸代謝等基因的顯著正相關關係，在海馬懷孕過程中發揮調控作用，而懷孕過程視黃酸與斑蝥黃、蝦青素等抗氧化物質的同步下調，可能增加懷孕期間對氧化壓力的耐受，通過增加父本免疫耐受的方式降低父本對胚胎的排斥作用，從而保障海馬妊娠過程的完成（圖2、3）。
該研究提出並闡明視黃酸在海馬育兒袋形成與懷孕過程中的角色和功能，為魚類胎生繁殖模式研究提供新視角，對於探索動物繁殖模式的進化與遺傳機制等具有科學價值。論文通訊作者為林強與錢培元，論文第一作者為助理研究員李春燕。研究工作受到國家傑出青年科學基金項目、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）重大專項團隊項目和中科院盧嘉錫國際創新團隊項目等的資助。
圖1.視黃酸在海馬雄性育兒袋發育與懷孕過程中的調控機制示意圖
圖2.視黃酸在海馬育兒袋形成和懷孕過程中的調控作用（A）視黃酸合成及信號通路基因在線紋海馬和膨腹海馬（Hippocampus abdominalis）懷孕過程中的變化趨勢；（B）視黃酸調控基因及其在育兒袋形成和懷孕過程中發揮的主要功能
圖3.抗氧化防禦在海馬育兒袋發育過程中的作用網絡（A）氧化及抗氧化物質在育兒袋不同發育時期的變化趨勢；（B-C）育兒袋形成和懷孕過程抗氧化物質與差異表達基因的相關性作用網絡
來源：中國科學院南海海洋研究所