一种寒冷的特化冰鱼物种在迁移到温带水域时经历了重大的遗传变化

许多动物已经进化到可以忍受极端环境，包括能够在海沟的压抑压力、沙漠的无情高温和高山的有限氧气中生存。这些动物通常高度特化地生活在这些特定的环境中，限制了它们搬到新的地方。

然而，有一些罕见的例子，这些物种曾经生活在恶劣的环境中，但后来殖民了更温带的环境。Angel Rivera-Colón是一名前研究生，现在是Julian Catchen实验室的博士后(CIS / GNDP)，他是诺伊大学厄巴纳-香槟分校进化，生态学和行为系的副教授，探索了南极Notothenioid鱼中这种异常的遗传机制。

南极notothenioids或cryonotothenioids已经进化到生活在南极洲周围的冰冻水域中，否则如果暴露在如此寒冷的温度下，大多数鱼类都会冻结固体。然而，冷冻类鱼能够在这些水域中生存，因为它们在细胞中产生的抗冻糖蛋白。AGFP与形成的任何冰晶结合，防止它们生长和细胞冻结。

南极冰鱼是冰冻类动物中的一个科，更是专门生活在冰冷的水域中。冰鱼也是唯一适应血细胞中没有血红蛋白生活的脊椎动物，导致它们的细胞和组织呈半透明/白色。血红蛋白是血细胞中的一种蛋白质，有助于增加摄氧量并导致细胞呈红色。通常动物需要血红蛋白来获得足够的氧气，但在南极洲周围寒冷、富含氧气的水域中，冰鱼已经发展出形态变化，例如更大的心脏用于泵血，它们不再需要血红蛋白来获得足够的氧气。

尽管这种极端的专业化，一种名为Champsocephalus esox或梭子鱼的冰鱼已经逃离了南极洲，现在生活在温暖，含氧较少的南美水域。“这个物种向温暖水域的移动提出了一个有趣的进化之谜，我想尝试解决，”里维拉 - 科隆说。“如果你只生活在非常寒冷的环境中，你如何生存并适应这个新的温暖环境?”

为了了解鱼的基因组在迁移到温暖水域时如何变化，Rivera-Colón将梭子鱼冰鱼的遗传学与南极冰鱼C. gunnari的遗传学进行了比较。该团队采集了来自智利南部，南乔治亚岛和桑威奇群岛的合作者和渔民收集的组织样本，对基因组进行了测序。

“这是我们第一次研究从南极洲逃到这个新温带环境中的notothenioid物种的基因组。其中很大一部分是因为梭子鱼冰鱼非常罕见且难以捉摸，因此这些渔民以及收集样本的合作者的帮助是必不可少的，“里维拉-科隆说。研究人员使用连续长读长测序为每个鱼类生成染色体水平的基因组。

在比较基因组后，他们发现虽然基因组在物种之间高度保守，但与鱼移动到温暖水域时需要改变的与生理学相关的梭子鱼基因组区域存在差异。令人惊讶的是，梭子鱼的基因组仍然包含编码AGFP的基因的多个拷贝，但这些基因充满了可能使其失去功能的突变。

“大多数基因都插入了终止密码子，”Catchen解释说。“假设一切如我们所料，我们不会看到它们被转录为 AGFP。但基因仍然存在，并且可能仍然活跃。我们不确定。研究人员说，虽然如果该基因不再起作用，冷水中这种基因的突变可能会导致死亡，但在温暖的水域，梭子鱼冰鱼中对这种基因的选择会松动，因为鱼不再需要防止自己冻结。

研究人员还发现，梭子鱼冰鱼基因组显示出染色体倒置 - 当染色体的一部分在方向上翻转时。“我们知道倒置和其他染色体变化对于介导适应过程以及在物种之间建立障碍非常重要，”Rivera-Colón解释说。“因此，在这里找到它们表明它们对于适应南美洲温暖的环境可能很重要。Rivera-Colón进一步解释说，倒置可能会使两个物种更难混合，加速姊妹物种之间的物种形成，尽管在不到2万年前才分裂。

除了进化到生活在温暖的水域之外，梭子鱼还需要适应不同的光线环境。南极洲周围的海洋一年中大部分时间都是黑暗的，表面的冰阻挡了大部分光线。但在温带水域，梭子鱼冰鱼经历了更正常的昼夜循环。该团队目前正在研究相关鱼类的基因表达，以了解它们的生理和昼夜节律如何适应这些新的光周期。

研究人员还计划研究另一对相关物种Trematomus borchgrevinki和Notothenia angustata的基因组和线粒体。与这项研究类似，T. borchgrevinki生活在寒冷的南极水域，而N. angustata则二次过渡到生活在新西兰海岸的温暖水域。目前的研究，以及这项计划中的对其他物种对的研究，将有助于研究人员更好地了解在某些环境中高度特化的物种如何逃脱并适应新环境。

“我认为这项研究真正有趣的方面之一是，它挑战了我们如何讲述'为什么进化会这样'的故事，”Catchen描述道。“我们用冰鱼的经典故事来解释由于它擅长的寒冷、含氧水而导致的血红蛋白损失，但随后你会看到这个物种逃回正常温度并且管理得很好。选择将有机体推向这个方向的极端，然后环境发生了变化，现在它被推向了不同的方向。

Rivera-Colón补充说：“我们的研究只是表明，这种对极端寒冷的专业化并不是进化的死胡同，它有助于解释这些转变如何在自然界中发生。