顧 嫻, 寧 眺, 肖 蘅

(1. 云南大學(xué) 云南省生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650091; 2. 云南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650091)

洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化機(jī)制的研究進(jìn)展

顧 嫻1,2,#, 寧 眺1,2,#, 肖 蘅2,*

(1. 云南大學(xué) 云南省生物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650091; 2. 云南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650091)

黑暗環(huán)境中的洞穴魚(yú)類(lèi)眼部結(jié)構(gòu)發(fā)生了退化, 但不同洞穴魚(yú)物種眼部退化程度存在差異, 從眼部結(jié)構(gòu)的部分缺失到完全消失的情況均存在。目前研究表明, 不論是達(dá)爾文的自然選擇學(xué)說(shuō), 還是木村資生的中性進(jìn)化理論均不能很好地解釋洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化的產(chǎn)生機(jī)制。洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程, 若要揭示其機(jī)制需匯集多個(gè)學(xué)科的研究?jī)?yōu)勢(shì)。該文介紹了國(guó)內(nèi)外洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化研究領(lǐng)域的形態(tài)解剖學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、動(dòng)物行為學(xué)及分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展, 并對(duì)洞穴魚(yú)眼部退化的研究現(xiàn)狀與發(fā)展提出了一些思考和建議。

洞穴魚(yú)類(lèi); 眼部; 退化

十八世紀(jì)中期，Schiodte (1849)首次對(duì)洞穴生物進(jìn)行了生態(tài)學(xué)劃分, 從而拉開(kāi)了洞穴生物研究的序幕。洞穴魚(yú)是一類(lèi)重要的洞穴生物?！岸囱~(yú)類(lèi)”廣義上指生活在洞穴以及類(lèi)似洞穴環(huán)境下的魚(yú)形動(dòng)物; 狹義則指陸地生態(tài)系統(tǒng)中生活在常年有水的巖溶洞穴以及地下河、湖等生態(tài)環(huán)境中的魚(yú)類(lèi) (Zhao＆ Zhang, 2009)。本文主要探討生活于洞穴或地下水環(huán)境中, 并表現(xiàn)出適應(yīng)性特征的狹義洞穴魚(yú)類(lèi)。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 全世界目前有記述的洞穴魚(yú)類(lèi)共122種, 分屬10目(鯉形目、脂鯉目、鲇形目、電鰻目、鮭鱸目、鼬鳚目、鳉形目、合鰓魚(yú)目、鱸形目和鲉形目)19科53屬, 其中鯉形目的洞穴魚(yú)種類(lèi)最豐富(Zhao & Zhang, 2009)。鯉形目洞穴魚(yú)主要分布于中國(guó)西南及泰國(guó)等地區(qū)。鲇形目、脂鯉目等其他洞穴魚(yú)主要分布在巴西、墨西哥、馬達(dá)加斯加等熱帶國(guó)家和地區(qū)。

洞穴魚(yú)類(lèi)通常由于體表色素與鱗片的消失而呈現(xiàn)半透明狀的身體特征, 從而引起人們的關(guān)注及研究興趣(Vandel, 1965)。隨著研究的深入, 人們發(fā)現(xiàn)除身體半透明外, 洞穴魚(yú)類(lèi)往往缺少眼部結(jié)構(gòu)(即便有殘留的眼部結(jié)構(gòu), 也喪失或基本喪失了辨色的視錐細(xì)胞), 但它們的觸須和側(cè)線(xiàn)系統(tǒng)卻高度發(fā)達(dá), 有些種類(lèi)，甚至演變出一些特殊的感覺(jué)結(jié)構(gòu),如：犀角金線(xiàn)鲃(Sinocyclooheilus rhinocerous)等在頭背交界處形成的特殊角狀結(jié)構(gòu)。洞穴魚(yú)類(lèi)的眼部退化是自然選擇的結(jié)果, 然而，無(wú)法用經(jīng)典的達(dá)爾文自然選擇學(xué)說(shuō)加以解釋, 因?yàn)橛醒叟c無(wú)眼的洞穴魚(yú)并非在黑暗環(huán)境中均同時(shí)存在, 而無(wú)眼的洞穴魚(yú)更適應(yīng)黑暗環(huán)境，所以“適者生存”下來(lái)。真實(shí)的情況是眼睛器官是否存在并不影響洞穴魚(yú)的生存, 洞穴魚(yú)眼部退化似乎更像是一種“用進(jìn)廢退”現(xiàn)象。1968年，木村資生提出中性突變理論, 認(rèn)為在分子水平上, 大多數(shù)的物種進(jìn)化和種內(nèi)變異是通過(guò)那些對(duì)選擇呈中性或近中性的等位基因突變的遺傳漂變而非自然選擇所引起 (Kimuram, 1968)。然而, 迄今洞穴魚(yú)視覺(jué)相關(guān)基因研究并未發(fā)現(xiàn)等位基因的突變, 中性進(jìn)化理論也未能解釋洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化的原因。目前, 洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化機(jī)制仍無(wú)定論。這個(gè)領(lǐng)域的研究或許會(huì)引導(dǎo)我們對(duì)目前已有的某種進(jìn)化理論進(jìn)行補(bǔ)充修訂, 甚至發(fā)現(xiàn)和建立一種新的物種進(jìn)化理論。

1 形態(tài)解剖學(xué)研究進(jìn)展

生物學(xué)領(lǐng)域的早期研究大多是以描述、記錄、歸類(lèi)的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行外部形態(tài)觀(guān)察及內(nèi)部構(gòu)造解剖開(kāi)始。在最初洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化的形態(tài)解剖學(xué)研究中, 科學(xué)家們借助低倍光學(xué)顯微鏡觀(guān)察認(rèn)為長(zhǎng)期在暗環(huán)境中生活的這些魚(yú)類(lèi)的眼部結(jié)構(gòu)高度退化且視覺(jué)和感光功能完全喪失。隨著形態(tài)解剖學(xué)研究技術(shù)的不斷進(jìn)步, 早期的低倍光學(xué)顯微鏡粗略觀(guān)察漸漸被高倍光學(xué)顯微鏡、熒光顯微鏡、相差顯微鏡、電子顯微鏡等精確觀(guān)察所取代(Yang, 1992),

觀(guān)察的對(duì)象也由表及里, 深入到細(xì)胞器的層面(Liu& Zheng, 1997)。借助高倍光學(xué)顯微鏡科學(xué)家們揭示了洞穴魚(yú)眼部構(gòu)造的真實(shí)情況, 雖然洞穴魚(yú)類(lèi)眼部被表皮覆蓋, 被脂肪填充(Nguyen-Legros et al,1987), 但視網(wǎng)膜仍有殘留(Zilles et al, 1983)。隨后的超薄切片顯微觀(guān)察結(jié)果指出，洞穴魚(yú)的視網(wǎng)膜中沒(méi)有可辨色的視錐細(xì)胞, 但可感光的視桿細(xì)胞有所殘留(Kos et al, 2001), 這與正常魚(yú)類(lèi)的視網(wǎng)膜同時(shí)含有視桿和視錐細(xì)胞的情況相異(Li ＆ Tao,2002)。除依賴(lài)殘存的視桿細(xì)胞進(jìn)行感光外, 洞穴魚(yú)還借助松果體中殘留的感光細(xì)胞對(duì)光做出一定反應(yīng)。松果體是哺乳動(dòng)物腦內(nèi)的一種重要神經(jīng)內(nèi)分泌轉(zhuǎn)換器(Fan et al, 2001)。硬骨魚(yú)的松果體不但具有內(nèi)分泌功能, 還具有感光作用, 因此，又被稱(chēng)作頂眼或者退化的第三只眼(Wang et al, 1994)。通過(guò)高倍光學(xué)顯微鏡的精細(xì)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)洞穴魚(yú)類(lèi)的松果體也存在不同程度的退化, 但顯微鏡下仍可以分辨出殘存的感光細(xì)胞(Besharse & Hollyfield, 1976; McNulty,1978)。進(jìn)一步利用電子顯微鏡對(duì)洞穴魚(yú)與地表硬骨魚(yú)松果體感光細(xì)胞的超微形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖比較發(fā)現(xiàn), 洞穴魚(yú)類(lèi)松果體中的感光細(xì)胞外節(jié)的結(jié)構(gòu)與地表生活的硬骨魚(yú)存在明顯區(qū)別(Herwig, 1976;Kos & Bulog, 2000)。除了眼部構(gòu)造的變化, 洞穴魚(yú)類(lèi)顱面中與眼部相關(guān)聯(lián)的一些骨骼結(jié)構(gòu), 如圍眶骨系也發(fā)生了改變而異于地表的硬骨魚(yú)類(lèi)(Jeffery,2008; Yamamoto et al, 2003)。然而, 無(wú)論是最初通過(guò)光學(xué)顯微鏡看到洞穴魚(yú)退化的眼部被膜覆蓋, 還是后期通過(guò)電子顯微鏡揭示洞穴魚(yú)退化眼部的細(xì)胞組成異常, 以及與眼部感光有關(guān)聯(lián)的嗅球細(xì)胞比地表普通魚(yú)類(lèi)增多等現(xiàn)象, 都是洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化的表象觀(guān)察結(jié)果, 尚屬于定性的形態(tài)解剖研究。近幾年, 形態(tài)解剖學(xué)發(fā)展出一種全新的形態(tài)計(jì)量術(shù)。該技術(shù)運(yùn)用數(shù)學(xué)原理, 利用圖像分析儀對(duì)生物組織和細(xì)胞進(jìn)行二維或三維的形態(tài)學(xué)測(cè)量, 從而使得形態(tài)解剖學(xué)研究由定性階段發(fā)展到了定量階段(Peng,2009)。形態(tài)計(jì)量等定量型的新技術(shù)的運(yùn)用必將推動(dòng)洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化的形態(tài)解剖學(xué)研究向更科學(xué)、更精準(zhǔn)的方向發(fā)展。

2 發(fā)育生物學(xué)研究進(jìn)展

對(duì)于脊椎動(dòng)物而言, 眼部發(fā)育的一個(gè)特征是眼泡的出現(xiàn)(Jeffery, 2005)。隨著眼泡的出現(xiàn), 外胚層的細(xì)胞開(kāi)始分裂分化, 在向心端的位置伸展形成視柄, 另一末端的細(xì)胞形成視杯, 同時(shí), 位于外胚層的視泡邊緣的細(xì)胞開(kāi)始變厚形成晶狀體基板(Jeffery, 2005; Yang, 2008)。在稍后的發(fā)育時(shí)期中,胚胎的每個(gè)組織都會(huì)從干細(xì)胞得到大量高度分化的細(xì)胞, 每個(gè)干細(xì)胞在不對(duì)稱(chēng)的分化成一個(gè)體細(xì)胞和一個(gè)干細(xì)胞后會(huì)停止分化, 新生的干細(xì)胞則繼續(xù)這一過(guò)程。然而, 硬骨魚(yú)的眼部發(fā)育稍有不同, 其眼部細(xì)胞的生長(zhǎng)貫穿細(xì)胞的一生, 因而它們的眼睛才能與身體同比例增長(zhǎng)(Durand, 1976; Espinasa &Jeffery, 2006)。

顯微注射技術(shù)是發(fā)育生物學(xué)中最經(jīng)典且應(yīng)用最廣泛的實(shí)驗(yàn)技術(shù), 該技術(shù)可以對(duì)胚胎發(fā)育過(guò)程進(jìn)行定位觀(guān)察, 并且通過(guò)顯微注射技術(shù)可以將外源物質(zhì)引入到發(fā)育中的胚胎, 研究目的基因的表達(dá)對(duì)各個(gè)器官的作用(Chen, 1995)。因此，顯微注射技術(shù)很早就被運(yùn)用到洞穴魚(yú)眼部退化的發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域。Cahn（1958)比較研究洞穴魚(yú)與地表魚(yú)(地表魚(yú)是一個(gè)相對(duì)概念, 指生活于地表水體且表型不具有洞穴適應(yīng)特征的魚(yú)類(lèi))的胚胎發(fā)育過(guò)程后提出洞穴魚(yú)的眼睛是隨著身體發(fā)育過(guò)程而逐漸消失的。Durand et al（1993)運(yùn)用顯微注射技術(shù)對(duì)洞穴魚(yú)類(lèi)胚胎發(fā)育過(guò)程進(jìn)行定位觀(guān)察, 進(jìn)一步證實(shí)了洞穴魚(yú)類(lèi)的眼部退化伴隨著身體發(fā)育而進(jìn)行。洞穴魚(yú)并非像最初設(shè)想的那樣從胚胎期就不存在眼部構(gòu)造。真實(shí)情況是, 在胚胎發(fā)育初期, 同物種的地表類(lèi)型和洞穴類(lèi)型都遵循正常的眼部發(fā)育的過(guò)程。經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的發(fā)育后, 洞穴類(lèi)型的晶狀體細(xì)胞最先開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)胞凋亡, 然后細(xì)胞凋亡在整個(gè)眼部組織蔓延。到洞穴魚(yú)成體發(fā)育成熟時(shí), 其眼部已完全被其他迅速分化發(fā)育的組織填充或者包埋(Strickler et al, 2007;Tian & Price, 2005)。上述研究中觀(guān)察到洞穴魚(yú)眼部最早的凋亡細(xì)胞出現(xiàn)在晶狀體中, 這一現(xiàn)象提示晶狀體可能是控制眼部發(fā)育和退化的重要構(gòu)件。通過(guò)顯微注射結(jié)合晶狀體移植手術(shù), 研究者互換處在相同發(fā)育時(shí)期的同物種的地表類(lèi)型和洞穴類(lèi)型的晶狀體, 洞穴類(lèi)型能發(fā)育出正常的眼部表型, 而地表類(lèi)型眼部細(xì)胞開(kāi)始凋亡。若在地表類(lèi)型的眼部開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)胞凋亡時(shí), 再將原來(lái)的晶狀體換回來(lái), 則地表類(lèi)型的眼部發(fā)育又恢復(fù)。這一結(jié)果證實(shí)了晶狀體是控制眼部發(fā)育和退化的重要構(gòu)件(Jeffery, 2005,2009; Strickler et al, 2007)。然而, 晶狀體并非是控制眼部細(xì)胞凋亡的唯一控件, 研究顯示晶狀體可能是通過(guò)與視網(wǎng)膜色素上皮的相互作用來(lái)調(diào)節(jié)眼部凋亡的進(jìn)程(Strickler et al, 2007)。

3 行為學(xué)研究進(jìn)展

動(dòng)物行為學(xué)研究動(dòng)物對(duì)環(huán)境的應(yīng)激性以及動(dòng)物間的溝通、社交、學(xué)習(xí)、繁殖、情緒表達(dá)等(Shang,1998, 2005)。長(zhǎng)期生活于暗環(huán)境的洞穴魚(yú)類(lèi), 其行為表現(xiàn)明顯異于地表魚(yú)類(lèi), 已經(jīng)發(fā)展出完全適應(yīng)黑暗環(huán)境的覓食、攻擊、繁殖等行為。由于洞穴魚(yú)類(lèi)實(shí)驗(yàn)材料的特殊性, 如生境不易發(fā)現(xiàn)和進(jìn)入, 以及活體樣本極難在實(shí)驗(yàn)條件下成活等因素, 使得洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化的行為學(xué)研究十分困難。目前僅有簡(jiǎn)單光線(xiàn)刺激下洞穴魚(yú)行為表現(xiàn)的少量報(bào)道?？茖W(xué)家研究指出，在同樣黑暗模擬環(huán)境中, 地表魚(yú)類(lèi)顯得更加好斗和不安; 而同樣光照模擬環(huán)境中, 洞穴魚(yú)類(lèi)成體卻沒(méi)有強(qiáng)烈的行為改變(Alunni et al, 2007)。更有意思的是陰影反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中, 洞穴魚(yú)幼體的反應(yīng)行為模式更接近于兩棲動(dòng)物幼體而異于硬骨魚(yú)類(lèi)(Yoshizawa & Jeffery, 2008), 且洞穴魚(yú)幼體比成體對(duì)光線(xiàn)的敏感度更強(qiáng), 洞穴魚(yú)對(duì)光環(huán)境的應(yīng)激行為似乎呈現(xiàn)出隨著身體成熟度增加而逐漸減弱消失的趨勢(shì)(Espinasa et al, 2005; Kos et al, 2001)。行為學(xué)的研究結(jié)果從另一方面支持了發(fā)育生物學(xué)研究得出的結(jié)論——洞穴魚(yú)類(lèi)的眼部退化是伴隨身體發(fā)育進(jìn)行的。除了洞穴魚(yú)個(gè)體成熟度不同對(duì)光環(huán)境的反應(yīng)呈現(xiàn)差異外, 洞穴魚(yú)對(duì)光源類(lèi)型及光源照射位置的反應(yīng)也不同。洞穴魚(yú)類(lèi)對(duì)集中型光源的應(yīng)激反應(yīng)更快(Strickler et al, 2007), 尤其當(dāng)光線(xiàn)直接照射在其大腦松果體所在的位置(Yoshizawa & Jeffery,2008)。然而, 洞穴魚(yú)類(lèi)對(duì)光源刺激的行為模式、產(chǎn)生機(jī)理以及復(fù)雜實(shí)驗(yàn)環(huán)境刺激下的行為表現(xiàn)及神經(jīng)傳導(dǎo)關(guān)聯(lián)性等較深層次的行為學(xué)研究尚未開(kāi)展。因此, 洞穴魚(yú)眼部退化與行為改變間到底遵從哪種發(fā)展關(guān)系：是眼部退化導(dǎo)致了洞穴魚(yú)的行為改變，還是行為改變加速了眼部退化的進(jìn)程，抑或是眼部退化與行為改變一直相互影響相互作用。至今這些問(wèn)題仍是未解之謎。

4 分子遺傳學(xué)研究進(jìn)展

分子遺傳學(xué)是在分子的結(jié)構(gòu)、功能及相互關(guān)系的基礎(chǔ)上來(lái)研究生物遺傳與變異機(jī)制的遺傳學(xué)分支學(xué)科(Luo, 1997)。分子遺傳學(xué)的發(fā)展依賴(lài)于分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步。近30年, 分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展非常迅速, 因而分子遺傳學(xué)成為了洞穴魚(yú)類(lèi)視覺(jué)退化研究中起步最晚而發(fā)展最快的方向。根據(jù)分子遺傳學(xué)理論, 洞穴魚(yú)視覺(jué)相關(guān)基因的功能改變或表達(dá)通路問(wèn)題很可能是引起洞穴魚(yú)視覺(jué)退化的關(guān)鍵。因此，最初洞穴魚(yú)視覺(jué)退化的分子遺傳學(xué)研究重點(diǎn)是比較洞穴魚(yú)與地表魚(yú)在視覺(jué)相關(guān)基因上的序列差異, 找到視覺(jué)相關(guān)基因的蛋白質(zhì)編碼區(qū)或表達(dá)調(diào)控區(qū)的突變位點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比墨西哥麗脂鯉(Astyanax mexicanus)的地表類(lèi)群和洞穴類(lèi)群的幾種視覺(jué)相關(guān)基因的分子序列, 發(fā)現(xiàn)兩個(gè)群體中相同基因的蛋白質(zhì)編碼區(qū)并無(wú)變異(Yokoyama &Yokoyama, 1990), 而將兩個(gè)群體的晶狀體蛋白、pax6、Rx、Chx、Vax等對(duì)眼部有重要作用的基因的cDNA序列與斑馬魚(yú)(Brachydanio rerio)等其他魚(yú)類(lèi)的相同基因的cDNA序列進(jìn)行比較時(shí), 發(fā)現(xiàn)這些基因cDNA序列的魚(yú)類(lèi)特定區(qū)域是同源性的。這說(shuō)明洞穴魚(yú)眼部退化并不遵循中性進(jìn)化。因?yàn)橹行赃M(jìn)化理論認(rèn)為中性突變對(duì)生物的生存和繁殖沒(méi)有影響, 自然選擇對(duì)它們不起作用, 突變?cè)诜N群中的保存、擴(kuò)散、消失完全隨機(jī)。加之洞穴魚(yú)的群體通常都很小, 如果其視覺(jué)退化符合中性進(jìn)化理論, 那么視覺(jué)相關(guān)基因的漂變速度應(yīng)該很快, 就會(huì)在1～2代后出現(xiàn)某些基因的固定和另一些基因的消失。而實(shí)際研究情況是洞穴魚(yú)與其它魚(yú)類(lèi)的視覺(jué)相關(guān)基因的cDNA序列的魚(yú)類(lèi)特定區(qū)域高度同源。于是洞穴魚(yú)類(lèi)分子遺傳學(xué)研究的重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向眼部發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)模式, 包括表達(dá)的位點(diǎn)變化、表達(dá)的時(shí)間不同以及表達(dá)量的多少。在表達(dá)研究中這幾種視覺(jué)相關(guān)基因在墨西哥麗脂鯉地表與洞穴群體中的表達(dá)方式呈現(xiàn)出差異(Behrens et al, 1998;Strickler et al, 2002; Tian et al, 2005)。除了視覺(jué)相關(guān)基因的表達(dá)模式的研究之外, 基因鏈鎖圖譜成為洞穴魚(yú)類(lèi)分子遺傳學(xué)研究的另一個(gè)新方向。國(guó)外研究者通過(guò)分析比較墨西哥麗脂鯉的洞穴類(lèi)型和地表類(lèi)型雜交后代的基因鏈鎖圖譜, 提出洞穴魚(yú)的眼部退化是多基因作用的過(guò)程(Strickler & Jeffery,2009)。

目前洞穴魚(yú)視覺(jué)研究主要集中在對(duì)眼部發(fā)育有重要作用的以下幾個(gè)基因或基因家族中。1)最先引起人們的注意是 Hedgehog（hh）信號(hào)基因。Hedgehog信號(hào)能夠調(diào)控多種器官的發(fā)育。hh信號(hào)基因是Hammerschmidt等人首先在果蠅胚胎中發(fā)現(xiàn)的控制信號(hào)通路的基因(Wang et al, 2011)。該信號(hào)基因在硬骨魚(yú)中有兩個(gè)同源基因：shh和twhh(Ekker et al, 1995), 它們有重疊的表達(dá)模式。與地表魚(yú)不同的是, 許多洞穴魚(yú)的這兩個(gè)基因在胚胎中線(xiàn)位置的表達(dá)區(qū)域都有一個(gè)擴(kuò)充的現(xiàn)象。如果對(duì)地表魚(yú)的胚胎注射這兩個(gè)基因的mRNA, 成體地表魚(yú)的眼部會(huì)消失，這說(shuō)明這兩個(gè)基因的擴(kuò)充表達(dá)對(duì)眼部發(fā)育有阻礙的作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在洞穴魚(yú)晶狀體的凋亡過(guò)程中shh信號(hào)基因的作用更為重要(Yamamoto et al,2004)。2)Pax基因家族。該基因家族受hh信號(hào)基因調(diào)控, 編碼128個(gè)氨基酸且在進(jìn)化上保守(Pan &Yuan, 1997), 其表達(dá)的蛋白質(zhì)對(duì)動(dòng)物胚胎時(shí)期的器官發(fā)育有重要作用。家族中的 pax6對(duì)眼部發(fā)育作用很大(An et al, 2005; Liu et al, 2004)。通過(guò)對(duì)比洞穴魚(yú)的表達(dá)模式發(fā)現(xiàn), 與hh基因不同, pax6的表達(dá)較為緩和(Behrens et al, 1997; Strickler et al, 2001),即在表達(dá)位置的表達(dá)程度有所減弱。3)Prox1基因。由于該基因在許多器官都有表達(dá), 所以人們推測(cè)這個(gè)基因可能也受到hh信號(hào)基因的調(diào)控。在金魚(yú)的prox1表達(dá)研究中, 人們發(fā)現(xiàn)不同發(fā)育時(shí)期金魚(yú)眼部該基因的表達(dá)模式有所不同(Jeffery et al, 2000;Ma et al, 2007), 提示prox1基因在不同發(fā)育時(shí)期的作用可能不同。Prox1基因在洞穴魚(yú)的嗅球和神經(jīng)丘的表達(dá)有所擴(kuò)充, 但在眼部發(fā)育中該基因的表達(dá)是正常的, 這說(shuō)明在嗅球等器官上prox1有重要作用。4)Hsp熱休克蛋白。該蛋白對(duì)于處于不良環(huán)境下的生物體細(xì)胞具有保護(hù)作用(Sun, 1997), 且按相對(duì)分子質(zhì)量大小分為hsp90、hsp70、hsp60 及小hsp四個(gè)家族(Morimoto et al, 1990)。Hsp70在同種魚(yú)類(lèi)的洞穴類(lèi)型和地表類(lèi)型的晶狀體中的表達(dá)模式相同, 而hsp90編碼的一種hsp90β亞型在兩者的晶狀體中沒(méi)有表達(dá), 另一種hsp90α亞型只在洞穴群體的晶狀體中表達(dá)且在晶狀體凋亡之前會(huì)出現(xiàn)一個(gè)表達(dá)高峰, 提示該亞型在洞穴魚(yú)的晶狀體凋亡的過(guò)程中可能具有重要作用(Hooven et al, 2004)。

5 總結(jié)與展望

洞穴魚(yú)的奇異外形引起了人們極大的興趣, 從中世紀(jì)開(kāi)始就有相關(guān)的記錄資料。然而, 由于洞穴環(huán)境復(fù)雜, 采樣非常困難, 使得洞穴魚(yú)的研究發(fā)展緩慢。同時(shí)洞穴魚(yú)類(lèi)很難像其他魚(yú)類(lèi)一樣人工繁殖和馴養(yǎng), 這無(wú)疑加大了研究的困難性。目前僅有墨西哥麗脂鯉一種洞穴魚(yú)被成功馴化成觀(guān)賞魚(yú)類(lèi), 其余洞穴魚(yú)多被列為保護(hù)物種。這也是限制洞穴魚(yú)研究的另一個(gè)重要因素。即便在生物技術(shù)蓬勃發(fā)展的21世紀(jì), 洞穴魚(yú)的研究多數(shù)仍集中在樣品易獲取的墨西哥麗脂鯉的發(fā)育學(xué)、胚胎學(xué)、組織解剖學(xué), 以及少數(shù)洞穴魚(yú), 如金線(xiàn)鲃等的系統(tǒng)發(fā)育學(xué)上。洞穴魚(yú)類(lèi)的進(jìn)化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程, 需要系統(tǒng)性研究。然而, 目前尚無(wú)任何一個(gè)進(jìn)化學(xué)說(shuō)能夠很好解釋洞穴魚(yú)類(lèi)的進(jìn)化及其眼部的退化。開(kāi)展洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化機(jī)制的研究, 能夠讓研究者更深刻的理解動(dòng)物的表型進(jìn)化與基因之間的聯(lián)系, 或許能夠促進(jìn)某種舊進(jìn)化理論的修訂以及一個(gè)新進(jìn)化理論的建立。中國(guó)擁有全世界最豐富的洞穴魚(yú)類(lèi)資源, 充分利用和保護(hù)好資源優(yōu)勢(shì), 緊跟世界進(jìn)化研究的步伐, 我國(guó)科研工作者便可在洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化的研究中有所成就。針對(duì)目前洞穴魚(yú)類(lèi)研究現(xiàn)狀, 筆者提出今后洞穴魚(yú)類(lèi)研究中需要注意的以下幾方面內(nèi)容。

5.1 發(fā)展采樣手段, 豐富研究材料

魚(yú)類(lèi)采集的常規(guī)方法很多, 如竿釣、撒網(wǎng)、電擊等。通常這些方法只適合于在水域較寬的環(huán)境中使用, 而且對(duì)樣品具有一定損傷。由于洞穴環(huán)境復(fù)雜特殊, 且洞穴魚(yú)生命力較脆弱, 上述方法并不適用于洞穴魚(yú)的采集。為了獲得豐富的洞穴魚(yú)研究材料, 可以根據(jù)洞穴魚(yú)的以下特點(diǎn), 發(fā)展切實(shí)可行的采樣手段。首先, 雨季時(shí)期洞穴魚(yú)類(lèi)會(huì)隨地下暗河水位升高而進(jìn)入相鄰的洞穴水域, 這是采集洞穴魚(yú)的最佳時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期進(jìn)入洞穴可以增加采樣成功幾率。其次，洞穴地下河中往往食物稀缺, 設(shè)置地籠并輔以食物誘捕有一定效果。再者，洞穴魚(yú)類(lèi)對(duì)聲波及光線(xiàn)都比較敏感, 通過(guò)聲波或光線(xiàn)刺激將魚(yú)類(lèi)向目標(biāo)漁網(wǎng)中驅(qū)趕或引誘, 也能提高采樣效率?？傊? 洞穴魚(yú)的采樣方法需結(jié)合洞穴魚(yú)的生物特性而設(shè)計(jì), 這樣才能無(wú)損傷且有效地增加采樣量,豐富研究材料。

5.2 跨學(xué)科研究, 多種技術(shù)結(jié)合

1904年, 洞穴生物學(xué)這個(gè)概念首次被提出(Protas et al, 2008)。從此揭開(kāi)了洞穴魚(yú)類(lèi)的研究歷史。悉數(shù)以前的研究成果, 從最早的形態(tài)學(xué)和生態(tài)環(huán)境研究到后來(lái)的系統(tǒng)分類(lèi)學(xué)研究, 都是單一學(xué)科的研究手段。單一研究往往無(wú)法解決洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化機(jī)制這類(lèi)復(fù)雜的生物學(xué)問(wèn)題。要透徹揭示相關(guān)基因在洞穴魚(yú)類(lèi)的眼部退化中的作用, 跨學(xué)科的研究及多種技術(shù)的運(yùn)用是必經(jīng)之路。相對(duì)于其他學(xué)科的研究技術(shù)而言, 分子遺傳學(xué)研究具有對(duì)材料的需求量較少且DNA水平的分析不受限于活體樣本的優(yōu)點(diǎn)。加之DNA測(cè)序技術(shù)近幾年飛速發(fā)展, 尤其是第二代及第三代高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)明和運(yùn)用使得生物體遺傳信息的獲取速度和準(zhǔn)確性大幅度提升(Sultan et al; Hayden, 2009; Shendure & Ji, 2008)。因而運(yùn)用高通量測(cè)序新技術(shù)獲取洞穴魚(yú)基因組的分子遺傳信息(目前尚無(wú)任何一種洞穴魚(yú)基因組數(shù)據(jù)公布)并從中篩選出與眼部退化相關(guān)的目標(biāo)基因進(jìn)行深入分析是探討洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化機(jī)制的一個(gè)突破口。同時(shí), 建立以形態(tài)學(xué)為基礎(chǔ), 生態(tài)學(xué)為導(dǎo)向, 胚胎發(fā)育及神經(jīng)生物學(xué)為驗(yàn)證的跨學(xué)科多技術(shù)結(jié)合策略, 必將加速洞穴魚(yú)類(lèi)眼部退化機(jī)制領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

5.3 注重環(huán)境保護(hù), 攻克人工飼養(yǎng)

洞穴生境能夠孕育很多我們未知的物種，但是由于洞穴環(huán)境的特殊性, 很多研究者未曾涉足的洞穴已經(jīng)開(kāi)發(fā)成旅游和探險(xiǎn)項(xiàng)目。隨著大量的游客涌入, 全天候的燈光照明, 嚴(yán)重的噪聲污染, 使得洞穴環(huán)境受到嚴(yán)重破壞, 而且這種破壞不可恢復(fù), 其中生存的很多物種很可能在人們未了解前就消失。這也是幾乎所有已發(fā)現(xiàn)的洞穴魚(yú)類(lèi)都被列入瀕危物種的原因之一。加強(qiáng)洞穴環(huán)境保護(hù)無(wú)疑是避免洞穴魚(yú)類(lèi)滅絕最直接的措施。然而, 目前我國(guó)洞穴環(huán)境保護(hù)的實(shí)施推廣異常困難, 且能保護(hù)的地區(qū)非常有限。因此, 攻克洞穴魚(yú)的人工飼養(yǎng)才能長(zhǎng)遠(yuǎn)有效地保護(hù)更多的洞穴魚(yú)資源。人工飼養(yǎng)不但有益于保護(hù)洞穴魚(yú), 解決洞穴魚(yú)科研上的樣品問(wèn)題, 而且利于構(gòu)建健康生態(tài)系統(tǒng)(例如, 現(xiàn)已成功構(gòu)建的能有效改善滇池水體環(huán)境的“花(海菜花)——魚(yú)(滇池金線(xiàn)鲃)——蚌(無(wú)齒蚌)濕地生態(tài)系統(tǒng)”, 創(chuàng)造特色水產(chǎn)養(yǎng)殖效益。我國(guó)科研工作者自 2003年就開(kāi)始摸索滇池金線(xiàn)鲃(Sinocyclocheilus grahami)、犀角金線(xiàn)鲃(Sinocyclocheilus rhinocerous)、大頭金線(xiàn)鲃(Sinocyclocheilus macrocephalus)、尖頭金線(xiàn)鲃(Sinocyclocheilus oxycephalus)、撫仙金線(xiàn)鲃(Sinocyclocheilus tingi)等洞穴魚(yú)種的人工繁育技術(shù)。通過(guò)模擬洞穴魚(yú)天然生活環(huán)境并利用生物學(xué)技術(shù)阻止人工飼養(yǎng)下親魚(yú)性腺退化的措施, 上述幾種洞穴魚(yú)的人工飼養(yǎng)現(xiàn)已獲得初步成功(Li et al, 2009;Pan et al, 2009; Yan et al, 2010; Yang et al, 2007)。我們堅(jiān)信不久的將來(lái)洞穴魚(yú)人工飼養(yǎng)能完全被攻克。一旦洞穴魚(yú)人工飼養(yǎng)獲得成功, 經(jīng)濟(jì)價(jià)值得以體現(xiàn),就能更好地促進(jìn)洞穴魚(yú)的保護(hù)。

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Progress on the degeneration mechanism of cave fishes’ eyes

GU Xian1,2,#, NING Tiao1,2,#, XIAO Heng2,*

(1.Laboratory for Conservation and Utilization of Bio-Resources,Yunnan University,Kunming650091,China;2.School of Life Sciences,Yunnan University,Kunming650091,China)

Attempts to understand the degeneration of the eyes in cave fish has largely been explained by either various extents of gradual degeneration, ranging from partial to total loss, observed in various species or by acceleration of loss caused by dark environments. However, neither the theory of biological evolution developed by Charles Darwin nor the neutral theory of molecular evolution formulated by Kimura Motoo adequately explains these phenomena. Recent trends in utilizing multidisciplinary research, however, have yielded better results, helping reveal a more complex picture of the mechanisms of degeneration. Here, we summarize the current progress of the research via morphology and anatomy, development biology, animal behavior science and molecular genetics, and offer some perspectives on the ongoing research into the development and degeneration of eyes in cave fish.

Cave fishes; Eyes; Degeneration

Q959.499; Q951;Q958.8

A

0254-5853-(2012)04-0409-07

10.3724/SP.J.1141.2012.04409

2011-12-26；接受日期：2012-06-25

云南大學(xué)第三屆研究生科研課題項(xiàng)目(YNUY201035); 國(guó)家“973”項(xiàng)目(2007CB411600)

?通信作者(Corresponding author)，E-mail: xiaoheng@ynu.edu.cn

#共同第一作者(Authors contributed equally to the work)

顧嫻(1986－), 女, 碩士研究生, 主要研究方向: 動(dòng)物學(xué), E-mail: gx.ff@163.com; 寧眺(1978－), 女, 博士, 講師, 主要研究方向:動(dòng)物分子遺傳與進(jìn)化, E-mail: tiaoning@ynu.edu.cn