青藏高原裂腹鱼类的分子进化和高原适应的机制研究

青藏高原在中新世后期开始的阶段性隆升造成了地理性低温、低氧和水域隔离，对当地鱼类的系统演化产生了重大影响。中国裂腹鱼亚科的11个属在此过程中逐渐形成并分化，成为多等级特化的从低海拔向高原辐射进化的鱼类，是研究环境变迁和生物适应关系的独特体系。本项目通过第二代测序获得从低到高三个特化等级裂腹鱼的绝大部分基因，以此为基础，比较研究各特化等级物种转座子的构成、基因扩增和蛋白质序列进化；揭示转座子活动、特定基因的扩增和低温、低氧等环境压力之间的关系；揭示向高原生境辐射过程中受到达尔文正选择的基因，从而揭示裂腹鱼适应高原的关键基因和分子进化的机制。这些结果与适应极端低温环境的南极鱼类基因进行比较，揭示鱼类对低温适应的共同分子机制以及高原适应的独特机理。获得的与低温低氧等高原环境适应相关的诸多基因将通过种群遗传和分子生物学的实验验证其生物学功能，为鱼类和重要动植物的遗传改良提供基因和理论依据。

本项目围绕裂腹鱼高原适应的进化机制在组学层面上和基因的功能上进行了深入的研究，通过近缘物种的转录组比较揭示了代谢过程和免疫系统在裂腹鱼中有加快进化的现象，鉴定了200多个受正选择的基因，并发现血液循环和感觉器官发育在高原适应中有重要的功能。对其中的一些正选择基因进行功能适应的深入研究，揭示了HIF1α和EPO等基因在低氧适应上的功能。通过与南极鱼类的比较发现了血红细胞发生的抑制是鱼类低温适应的一个普遍现象，并发现他们均与TGF-β信号系统的增强相关。揭示了低温适应对基因组中LINE含量的影响和涉及的分子机制，发现了ROS诱导的MAPK通路的激活促进了LINE在低温下的扩增。通过对扩增基因的寒冷适应功能的研究，发现了鱼类的ZP蛋白是一类具有与冰晶结合能力的蛋白，并揭示在冰冻环境下可以进化出促进冰晶融化的功能，从而发现了一类具有特殊作用机制的抗冻蛋白。绘制了鱼类低温响应的调控网络，发现了17个低温响应的顺式调控元件，其中的10个已经知道它们为反式调控因子，为研究鱼类低温适应的进化机制提供了很好的路标。揭示了鱼类最低耐受温度与鳃细胞凋亡之间的关系，发现并实验验证了2个低温耐受相关的调控基因，为耐寒育种提供了新的思路。