不同的水下环境,不同的鱼眼睛:鱼类视觉基因如何因应环境演化?

淡水鱼比海水鱼拥有更多的感知紫外光与红光的视觉基因(图为青鳉鱼)。

多变的海洋光环境

人类视网膜上有锥状与杆状感光细胞,让我们能看见这个彩色的世界;海洋环境如此多变,海中鱼类的视觉又是如何因应做出改变?

国家实验研究院台湾海洋科技研究中心王丰寓博士和中央研究院生物多样性研究中心林进之博士、王子元博士及李文雄院士的研究团队合作研究「鱼类视觉基因演化以及在环境适应上的影响」,于2017 年11 月登上国际顶尖期刊《自然》(Nature)旗下的《科学报告》(Scientific Reports)。

视觉是海洋生物最重要的感觉系统之一,多变的海洋形塑了光环境的多样性,有缤纷清澈的珊瑚礁水域、混浊的近岸河口水域,以及一片漆黑的深海等,动物为因应环境的变化,演化出各式各样不同的视觉能力。

动物侦测光线的视觉基因可以分为五大类:在昏暗环境下感测微弱光线的视紫蛋白基因,以及感测四种色光-紫外光蓝光绿光红光的视觉基因。

林进之博士利用其优秀的资工背景,从鱼类基因体的庞大资料库中,以生物资讯的方法筛选出视觉基因;王丰寓博士则对这些基因进行功能与演化的分析,从59种辐鳍鱼类(ray-finned fish)的基因体中,找出每种鱼类所拥有视觉基因的种类与数量,以及每个基因在基因体上的位置。

基因体双机制,成就多变的鱼类视觉适应

分析各个鱼种栖息环境与视觉基因的关系,进一步就能了解鱼类视觉基因的演化以及如何因应环境的压力而改变,例如洄游到深海产卵的鳗鱼就遗失了感知紫外光与红光的视觉基因,以适应深海的环境,而淡水鱼则比海水鱼拥有更多的感知紫外光与红光的视觉基因。

鳗鱼洄游到深海产卵,遗失了感知紫外光与红光的视觉基因以适应深海的环境(图为日本鳗)。

研究结果发现,在鱼类基因体中含有视觉基因的DNA片段发生了基因复制(gene duplication),造成了视觉基因种类与数量的增加;而视觉基因上特定位置的突变(tuning site changes)则造成功能上的改变,使得视觉基因的功能出现多样性。这两种机制再加上天择的作用,使得鱼类演化出各式各样的视觉感知能力,因而能适应水中多变的环境。

参考资料:

  • Lin, JJ, Wang, FY, Li, WH, & Wang, TY (2017). The rises and falls of opsin genes in 59 ray-finned fish genomes and their implications for environmental adaptation. Scientific Reports , 7 (1), 15568 .

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