新研究揭示了缓步动物极限运动的进化史

缓步动物，也被称为水熊虫，可以忍受高剂量的辐射、低氧环境、干燥以及高温和低温，处于一种称为缺水生物的休眠状态，这是一种在几乎完全干燥时新陈代谢的可逆停止。大量研究集中在与这些能力相关的遗传途径上，并且已经鉴定了许多基因并与缓步动物的极端耐受反应相关。然而，这些基因的历史尚不清楚，缓步动物中耐极端基因的起源和历史仍然是个谜。在新的研究中，来自庆应义塾大学、奥斯陆大学和布里斯托尔大学的科学家首次对与缓步动物的干燥和辐射耐受性相关的六个独立蛋白质家族进行了系统发育。

作为极限运动的一种形式，缓步动物可以通过进入称为脱水生物(即没有水的生命)的休眠状态而在几乎完全干燥的情况下生存，这使它们能够可逆地停止新陈代谢。

先前发现多个缓步动物特异性基因家族与这种状态有关。

根据蛋白质表达的细胞位置，其中三个基因家族被称为胞质、线粒体和分泌丰富的热溶性蛋白质(分别为 CAHS、MAHS 和 SAHS)。

一些缓步类物种似乎拥有一种变异途径，涉及两个丰富的热溶性蛋白质家族，这些蛋白质首先在缓步类海胆中被发现，通常被称为 EtAHS α 和 β。

缓步动物还拥有更广泛存在于动物中的抗逆基因，例如减数分裂重组 11 (MRE11) 基因，该基因与其他动物的干燥耐受性有关。

不幸的是，自从这些基因家族被识别以来，大多数缓步动物谱系的信息有限，因此很难就它们的起源、历史和生态影响得出结论。

为了阐明缓步动物极限运动的进化，主要作者James Fleming 博士和他的同事鉴定了 13 个缓步动物属的这 6 个基因家族的序列，其中包括缓步动物主要谱系(Eutardigrada和Heterotardigrada )的代表。

他们的分析揭示了 74 个 CAHS、8 个 MAHS、29 个 SAHS、22 个 EtAHS α、18 个 EtAHS β 和 21 个 MRE11 序列，使他们能够为这些基因家族构建第一个缓步动物系统发育。

由于对干燥的抵抗力可能是作为对陆地环境的适应而出现的，研究人员假设他们会发现这些基因家族的基因复制和损失与缓步动物的栖息地变化之间的联系。

弗莱明博士说：“当我们开始这项工作时，我们希望发现每个进化枝都会清楚地围绕古代复制品分组，几乎没有独立的损失。”

“这将帮助我们轻松地将它们与对现代栖息地和生态的理解联系起来。”

“这是一个直观的假设，从理论上讲，这些与干燥相关的基因的重复进化应该包含这些生物体生态历史的残余，尽管事实上，这被证明过于简单化了。”

相反，作者对热溶性基因的独立重复数量之多感到惊讶，这描绘了一幅更为复杂的脱水相关基因进化图景。

然而值得注意的是，强脱水物种与物种拥有的脱水相关基因的数量之间没有明确的联系。

“我们发现的结果更令人兴奋——一个由独立的收益和损失组成的复杂网络，不一定与现代陆地物种生态相关，”弗莱明博士说。

缓步类两大主要类群的基因家族的不同分布——真缓步类中的 CAHS、MAHS 和 SAHS 以及异缓类中的 EtAHS α 和 β——表明缓步类中发生了从海洋环境到陆地环境的两次独立转变。真缓步动物的祖先，曾经属于异缓步动物。

这项研究标志着我们对缓步动物脱水进化的理解向前迈出了重要一步。

它还为未来对缓步动物极限运动的研究奠定了基础，这将需要不断开发来自更多样化的缓步动物谱系的基因组资源。

“不幸的是，我们没有来自几个重要科的代表，例如Isohypsibiidae，这确实限制了我们对结论的坚定程度，”弗莱明博士说。

“有了更多的淡水和海洋缓步动物样本，我们将能够更好地了解该群体陆地成员的适应能力。”

研究结果发表在《基因组生物学与进化》杂志上。