鲱鱼如何适应波罗的海的光环境

当物种在新环境中殖民时发生的进化过程为探索遗传适应的潜在机制提供了机会，遗传适应是理解进化和维持生物多样性的基本知识。由瑞典乌普萨拉乌普萨拉大学的研究人员领导的一个国际科学家小组报告说，当鲱鱼适应波罗的海的红移光环境时，光敏视紫红质蛋白的单一氨基酸变化发挥了关键作用。值得注意的是，生活在咸水或淡水中的所有鱼类中约有三分之一具有相同的变化。该研究于今天在PNAS上发表。

“由于两个原因，大西洋和波罗的海鲱鱼是进化研究的优秀模型”，来自乌普萨拉大学和得克萨斯A&M大学的Leif Andersson博士解释说。“首先，它们庞大的种群规模使我们能够研究自然选择的影响，而不会出现在小群体中发生的基因变异频率的令人不安的随机变化。其次，在过去1万年内鲱鱼对咸水波罗的海的殖民化(在最近的冰川作用之后)提供了一个研究物种适应新环境时会发生什么的机会。“

“我们检查了许多大西洋和波罗的海鲱鱼种群的整个基因组，发现蛋白质视紫红质中的一个氨基酸变化，其中苯丙氨酸被酪氨酸取代，在适应波罗的海期间发挥了关键作用，”瑞典乌普萨拉乌普萨拉大学的科学家杰森希尔说，他是该论文的第一作者。这很有意义，因为视紫红质是视网膜中的光敏感受体，卫星数据显示波罗的海与大西洋相比具有红移光环境，因为溶解的有机物质会吸收蓝光。

“对我们的数据进行仔细的遗传分析表明，进化过程必定非常迅速。我们估计波罗的海鲱鱼中发现的视紫红质基因变异频率增加，成为最常见的变种，仅仅几百年，”科学家席子说。乌普萨拉大学的Pettersson。

Modis-AQUA卫星数据捕获波罗的海的红移光环境，其中溶解的有机物质和浅层深度导致蓝光光谱中波长的吸收更大。图片由Erik Enbody提供。图片来源：乌普萨拉大学的Erik Enbody

氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸在结构上非常相似，只是因酪氨酸中存在羟基(-OH)部分而不同，所以这种变化真的如此重要吗?

“事实上，视紫红质的晶体结构显示残留物261位于发光物质视网膜附近发生光吸收。波罗的海鲱鱼视紫红质中酪氨酸的存在使得光吸收红移约10纳米，从而可以捕获更多波罗的海红光环境中的光子，“德国柏林Charité - Universitätsmedizin柏林的Patrick Scheerer博士说，也是该研究的共同作者之一。

当科学家分析了来自2000多种鱼类的视紫红质序列时，他们发现在咸淡水或淡水中出现的所有物种中约有三分之一与波罗的海鲱鱼具有完全相同的遗传变化，而几乎所有生活在海水中的鱼都具有视紫红质基因变体。苯丙氨酸就像大西洋鲱鱼。“值得注意的是，我们发现相同的突变独立发生，并且在数千种鱼类中至少发生20次，这在分子水平上提供了一个真正引人注目的进化的例子，”Erik Enbody，合着者和博士后研究员说。在乌普萨拉大学。

“我们的假设是视紫红质的这种变化在幼年阶段特别重要，并且波罗的海鲱鱼变种允许鱼类幼虫在寻找食物或避开掠食者时更好地利用波罗的海的光环境”，Leif Andersson解释道。这一假设得到了以下结论的支持：大西洋鲑鱼和褐鳟鱼总是在淡水中生长但可能在海水中大部分时间生活，在视紫红质中含有酪氨酸261，就像淡水鱼一样。相比之下，欧洲和日本的鳗鱼都出生在海水中但是大部分成年生活在淡水中，像大多数海水鱼一样携带苯丙氨酸261。

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