李靖 宋以柱 閻雪姣 吳薇

(青島市海洋科技成果推廣中心，山東青島 266000)

文昌魚(yú)是從無(wú)脊椎動(dòng)物進(jìn)化到高等脊椎動(dòng)物中間的過(guò)渡動(dòng)物，長(zhǎng)久以來(lái)，文昌魚(yú)一直被認(rèn)為是脊椎動(dòng)物祖先的模型?；谒谶M(jìn)化上的重要性，受到了國(guó)內(nèi)外動(dòng)物學(xué)家的青睞。隨著分子生物學(xué)技術(shù)在動(dòng)物學(xué)研究上的應(yīng)用，再一次激發(fā)了動(dòng)物學(xué)家對(duì)文昌魚(yú)分子結(jié)構(gòu)研究的興趣；并充分證實(shí)了文昌魚(yú)在脊椎動(dòng)物起源與演化研究中占據(jù)的重要位置。文昌魚(yú)是研究脊椎動(dòng)物及其組織器官系統(tǒng)發(fā)生以及研究進(jìn)化發(fā)育生物學(xué)的理想模型，對(duì)揭示脊椎動(dòng)物基因組的進(jìn)化具有很高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

1 文昌魚(yú)的概況

文昌魚(yú)隸屬脊索動(dòng)物門的頭索動(dòng)物亞門，也叫全索亞門。之所以被稱為頭索動(dòng)物，主要是因?yàn)檫@類動(dòng)物的脊索能夠縱貫全身，例如，這類動(dòng)物的脊索能夠直接延伸到神經(jīng)管的前面。而文昌魚(yú)的最大特征就是頭和腦沒(méi)有完全的進(jìn)化，又被動(dòng)物學(xué)研究學(xué)家定義為無(wú)頭類動(dòng)物(Acrania)。這種動(dòng)物的外形比較接近于蟲(chóng)類，但是在血統(tǒng)上與蟲(chóng)類具有一定的差異性。

文昌魚(yú)的物種數(shù)超過(guò)了20種，其主要分布在地球熱帶、亞熱帶的8～16m的淺水海域中，它的身體經(jīng)常掩蓋在海底的細(xì)沙中，同時(shí)文昌魚(yú)主要吃浮游生物為主。在北緯48°至南緯40°之間的環(huán)形地區(qū)內(nèi)文昌魚(yú)的分布較多。我國(guó)的廈門和青島等沿海地區(qū)出產(chǎn)的文昌魚(yú)也很多，由于其具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值，被很多地區(qū)的消費(fèi)者視為珍品。

2 文昌魚(yú)的進(jìn)化背景

2.1 對(duì)文昌魚(yú)和海鞘是脊椎動(dòng)物姐妹群的關(guān)系論證

1998年動(dòng)物研究學(xué)家Naylor對(duì)脊椎動(dòng)物、頭索動(dòng)物、原口動(dòng)物等在內(nèi)的19個(gè)動(dòng)物的線粒體基因進(jìn)行了組裝；并利用這19個(gè)全線粒體基因組上的13個(gè)蛋白編碼基因與所有核酸、僅顛換的核酸、氨基酸序列等三個(gè)不同的數(shù)據(jù)集，對(duì)它們的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系進(jìn)行了重新構(gòu)建。在分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)研究的基礎(chǔ)上，充分證實(shí)了文昌魚(yú)與脊椎動(dòng)物的連帶關(guān)系。同時(shí)還有其他動(dòng)物學(xué)家Spruyt等對(duì)其他地域的文昌魚(yú)進(jìn)行了研究，如：地中海沿岸等地，并對(duì)其線粒體基因進(jìn)行了測(cè)序，通過(guò)對(duì)11個(gè)物種的研究，對(duì)其分析系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系進(jìn)行了重新構(gòu)建。從而充分證實(shí)了文昌魚(yú)是無(wú)脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物之間的過(guò)渡物種。但是之后對(duì)尾索動(dòng)物(海鞘)的研究，又得出了相悖的答案?？梢?jiàn)，這兩種具有代表性的姐妹亞門物種，雖然都保留了祖先特征，但是由于文昌魚(yú)的身體結(jié)構(gòu)保留的祖先特征要多于海鞘，特別是胚胎的發(fā)育情況接近于脊椎動(dòng)物，因此文昌魚(yú)的身體構(gòu)造與海鞘相比更加復(fù)雜。

2.2 與海鞘進(jìn)化的對(duì)比分析

2.2.1 證實(shí)了海鞘更加接近脊椎動(dòng)物

有些動(dòng)物學(xué)家對(duì)文昌魚(yú)的進(jìn)化地位提出了質(zhì)疑，有些生物學(xué)家認(rèn)為海鞘更類似原始無(wú)頭祖先，并推測(cè)出海鞘與脊椎動(dòng)物的關(guān)系更加接近。然而這種爭(zhēng)議一直延續(xù)到2005年，主要是因?yàn)殡p方之間并沒(méi)有充分的證據(jù)去讓對(duì)方信服。動(dòng)物學(xué)家Blair根據(jù)59條氨基酸序列構(gòu)建了鄰接樹(shù)和最大似然樹(shù)，并采用貝葉斯的方法推測(cè)了尾索動(dòng)物與現(xiàn)存的脊椎動(dòng)物類群具有親緣的關(guān)系，肯定了脊椎動(dòng)物與海鞘的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系。文昌魚(yú)(頭索動(dòng)物亞門)在9億年前就已經(jīng)與祖先分開(kāi)，而尾索動(dòng)物亞門與脊椎動(dòng)物祖先在7.5億年前才分開(kāi)。同時(shí)動(dòng)物學(xué)家Philippe利用146個(gè)基因組建了35個(gè)種類的演化樹(shù)，并以分子系統(tǒng)發(fā)育學(xué)的角度為出發(fā)點(diǎn)，證實(shí)了海鞘是現(xiàn)在同脊椎動(dòng)物類群關(guān)系最為接近的物種。另外，2006年Delsuc在發(fā)表的論文中指出：海鞘是最為接近脊椎動(dòng)物的物種。他在研究的過(guò)程中利用146個(gè)基因構(gòu)建了37種生物演化樹(shù)，應(yīng)運(yùn)用最大簡(jiǎn)約法和貝葉斯法，得出了海鞘與脊椎動(dòng)物大支聚在一起，而文昌魚(yú)卻聚在一個(gè)枝。這項(xiàng)研究否定了文昌魚(yú)進(jìn)化的地位，但是文昌魚(yú)在脊椎動(dòng)物起源演化研究中仍占核心的位置，在研究過(guò)程中需要反復(fù)的論證。

2.2.2 文昌魚(yú)分子研究

在對(duì)文昌魚(yú)的分子研究，證實(shí)了海鞘是同脊椎動(dòng)物更近的進(jìn)化關(guān)系，Putman對(duì)美國(guó)佛羅里達(dá)文昌魚(yú)進(jìn)行了全基因組測(cè)序，在與其余11個(gè)物種聯(lián)合后，得出了1090個(gè)單拷貝直系同源基因集，并通過(guò)最大似然和貝葉斯兩種構(gòu)樹(shù)算法證實(shí)了海鞘同脊椎動(dòng)物關(guān)系最為接近的說(shuō)法。近年來(lái)，在對(duì)其他中類的文昌魚(yú)(魯卡側(cè)殖文昌魚(yú)、白氏文昌魚(yú))的全基因進(jìn)行測(cè)序研究，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)的分子系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析，也得出了相同的論證，即文昌魚(yú)與脊椎動(dòng)物和海鞘的進(jìn)化關(guān)系。

2.2.3 文昌魚(yú)細(xì)胞水平分析

還有一些細(xì)胞水平上的對(duì)比分析，尾索動(dòng)物要比文昌魚(yú)同脊椎動(dòng)物的親緣關(guān)系更加接近，但是由于海鞘丟失了大量的祖先基因，有些祖先的特征并沒(méi)有保存下來(lái)。但是在對(duì)文昌魚(yú)的形態(tài)和細(xì)胞水平進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)文昌魚(yú)仍保留一些祖先原有的形態(tài)特征。它的復(fù)雜器官，受到了研究人員的特別關(guān)注。與此同時(shí)，文昌魚(yú)的基因組并未發(fā)生很大的變化，如大規(guī)模的復(fù)制、基因的加速、基因的丟失等。例如,Homebox基因家族成員在海鞘中保存了76個(gè)亞家族，脊椎動(dòng)物也丟失了7個(gè)，現(xiàn)存的只有94個(gè)，但是文昌魚(yú)基因組卻保留了整個(gè)亞家族(101個(gè))。根據(jù)這些對(duì)比發(fā)現(xiàn)，文昌魚(yú)保存了祖先的特征，但是海鞘相對(duì)于文昌魚(yú)來(lái)講，其保存的數(shù)量卻很少。

總而言之，從對(duì)文昌魚(yú)的研究結(jié)果可以看出，其進(jìn)化的地位逐漸被海鞘所代替，特別是在其他動(dòng)物研究人員論證了海鞘才是與脊椎動(dòng)物最為接近的物種。但是由于它的特殊因素，同樣也成為研究脊椎動(dòng)物起源與演化等方面問(wèn)題的重要物種之一。

3 文昌魚(yú)的分子系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

文昌魚(yú)種類發(fā)現(xiàn)較早，但是研究人員并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行命名，大多數(shù)的文昌魚(yú)種類命名的時(shí)間大約都在1970年。到目前為止，針對(duì)文昌魚(yú)分類的研究論文較少，同時(shí)關(guān)于文昌魚(yú)方面的專著也較少，這就充分說(shuō)明了文昌魚(yú)分類學(xué)已經(jīng)逐漸被文昌魚(yú)研究人員邊緣化。另外，文昌魚(yú)種類之間的外形特征并不能明顯地區(qū)分出。同時(shí)，文昌魚(yú)在海洋生物中體積比較小，分類系統(tǒng)不穩(wěn)定，這就導(dǎo)致了這種現(xiàn)象的再次發(fā)生。例如，對(duì)魯卡側(cè)殖文昌魚(yú)進(jìn)行研究，并將其建立一個(gè)單獨(dú)的新屬，即偏文昌新屬。而Nelson、Poss等通過(guò)研究提出了不同的看法。他們認(rèn)為這個(gè)單獨(dú)的新屬為無(wú)效的屬，其應(yīng)該被納入側(cè)殖文昌魚(yú)屬。在這種爭(zhēng)議之下，日本文昌魚(yú)專家分別對(duì)三種文昌魚(yú)種類進(jìn)行了分析，在不斷擴(kuò)增它們的線粒體細(xì)胞色素亞基和16SRNA和DNA序列，結(jié)合其他兩種文昌魚(yú)已有的COI和16SRNA利用最大似然法構(gòu)建了文昌魚(yú)目屬間的分析系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。兩個(gè)線粒體DNA分子標(biāo)記結(jié)果均支持偏文昌魚(yú)屬。

中國(guó)青島以南至廣西北海海岸線是中國(guó)文昌魚(yú)主要分布的地區(qū)。廈門海域中和青島海域中分布的文昌魚(yú)種類主要是以白氏文昌魚(yú)和青島文昌魚(yú)為代表。Luo運(yùn)用mtDNA中的COI和細(xì)胞色素b亞基片段作為分子標(biāo)記，并通過(guò)運(yùn)用最大簡(jiǎn)約法構(gòu)建了基于兩個(gè)序列的青島文昌魚(yú)、白氏文昌魚(yú)、日本文昌魚(yú)的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(白氏文昌魚(yú)+青島文昌魚(yú)+日本文昌魚(yú))，并計(jì)算了中間的平均遺傳距離。研究發(fā)現(xiàn)，日本文昌魚(yú)與青島文昌魚(yú)均聚攏在系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的一枝，它們之間存在著種內(nèi)差異，而白氏文昌魚(yú)和青島文昌魚(yú)分別處于系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)不同的大枝，且兩者遺傳距離達(dá)到了種間差異水平，支持它們?yōu)椴煌N的觀點(diǎn)。

隨著文昌魚(yú)種類的增加，文昌魚(yú)內(nèi)部的系統(tǒng)也發(fā)生了變化。有些動(dòng)物學(xué)家對(duì)不同種類的文昌魚(yú)的分歧時(shí)間進(jìn)行了推測(cè)，并指出白氏文昌魚(yú)與佛羅里達(dá)文昌魚(yú)的分歧時(shí)間在1.3億年前。

迄今為止，具有2個(gè)以上文昌魚(yú)物種構(gòu)建的分子系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的構(gòu)建基礎(chǔ)是mtDNA，但是通過(guò)基因組與轉(zhuǎn)錄組大數(shù)據(jù)水平構(gòu)建的分子發(fā)育系統(tǒng)樹(shù)最多只能包含2種文昌魚(yú)。所以，在大數(shù)據(jù)水平下，構(gòu)建多種文昌魚(yú)的分析系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，并且對(duì)文昌魚(yú)體內(nèi)不同種間、同屬的分歧時(shí)間進(jìn)行推測(cè)，這些都為研究文昌魚(yú)的演變特征提供了理論基礎(chǔ)。