2020年3月17日，來自中國海洋大學的包振民院士科研團隊在Nature Ecology & Evolution上發表了題為 「Evolutionary transcriptomics of metazoan biphasic life cycle supports a single intercalation origin of metazoan larvae」的最新研究成果。研究團隊的王師教授為論文的通訊作者，王靜、張玲玲、連姍姍、秦貞奎、朱璇為論文共同第一作者。
海洋幼蟲的進化起源方式是困擾動物學家近百年的科學難題，被認為是動物宏觀進化領域的主要謎題之一。大多數海洋無脊椎動物類群的生活史會經歷特殊的浮遊幼蟲階段。這種兼具有小巧、浮遊生活的幼蟲階段和體型較大、常營底棲生活的成體階段的生活史，賦予動物提供了極大的發育可塑性和環境適應性，被認為是動物生活史進化的重大事件，也是驅動海洋動物類群高度多樣化並繁榮昌盛的關鍵要素之一。因此，解析海洋幼蟲的起源進化對深刻理解動物生活史的宏觀演變機制和規律具有極為重要的科學價值和意義。
由於缺少完備的化石或分子水平證據，海洋幼蟲起源問題在國際學界爭論已達百年之久，目前主要有兩種模型假說：（1）「幼蟲先起源(larva-first)」假說，認為幼蟲進化起源早於成體階段，成體階段是在進化後期單次或多次獨立產生的；（2）「成體先起源(adult-first)」假說，認為幼蟲進化起源晚於成體階段，幼蟲階段是在後期進化過程中多次插入產生的。相對來說，由於「larva-first」假說符合「發育過程是對進化過程的重演」這一傳統認知，該假說得到了國際進化發育學界更廣泛的認可。
研究團隊通過分析多種代表性海洋動物類群的全發育周期轉錄組數據，巧妙應用轉錄組年齡指數（TAI）分析方法，從分子水平上推演了幼蟲的進化起源歷史。令人驚訝地發現幼蟲階段（相比成體階段）在整個生活史中呈現更為「年輕」的表達譜特徵，且在後生動物類群中普遍存在。研究結果支持幼蟲階段的進化起源晚於成體階段，從而否定了在學界長期佔據主導地位的「larva-first」假說模型。
圖1 後生動物主要類群幼蟲轉錄組的TAI進化分析
儘管支持「adult-first」 假說，研究團隊通過深入分析發現，不同於國際上之前提出的 「adult-first」模型認為幼蟲存在多次獨立插入起源，動物祖先生活史在進化過程中可能僅發生過一次幼蟲插入事件。研究團隊最終提出了一種新的幼蟲起源進化模型，即幼蟲單次插入起源的「adult-first」模型，且推斷原始幼蟲的插入時間可能發生於櫛水母動物門與後生動物祖先分歧之後。
圖2海洋幼蟲的起源進化模型
（a-c，以往研究中提出的幼蟲起源進化模型；d，本研究所提出的幼蟲起源進化新模型，即原始幼蟲單次插入起源的「adult-first」模型）
研究團隊進一步分析發現與細胞信號傳導相關基因(caveolin, innexin 和 ATP1B)可能是參與幼蟲起源的關鍵基因。有趣的是，caveolin和innexin主要表達在幼蟲特有的區域（如頂鞭毛和纖毛環），而ATP1B則主要集中表達在將來形成成體軀幹的區域。對幼蟲區域和成體區域「界限基因」的首次發現，暗示了一種可能的幼蟲進化起源方案，即對於僅具成體階段的動物祖先，可能通過將「幼蟲」特有區域添加到原有的「成體」區域上，從而產生了祖先型幼蟲。
此外，研究團隊還發現幼蟲階段具有非同尋常的容納新基因的能力，並揭示幼蟲轉錄組的快速進化可能有助於提升動物成體階段的形態多樣性（如軟體動物貝殼多樣性的形成）。
圖3海洋幼蟲起源關鍵基因及其驅動的幼蟲/成體進化途徑
綜上，本研究提出了海洋幼蟲為單次插入起源的新理論學說，否定了目前國際上已有的主流假說模型，為深入理解後生動物的幼蟲/成體雙階段生活史進化提供了嶄新的研究視角，將對海洋動物的發育進化、多樣性產生和環境適應等研究領域具有重要啟示意義。
（來源：科學網）
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41559-020-1138-1