研究人员首次以高分辨率绘制了海蜘蛛的整个基因组，揭示了其不寻常的身体与缺失基因之间的迷人联系。与蛛形纲近亲不同，海蜘蛛没有真正的腹部，甚至一些器官都藏在腿里。科学家发现，这种奇特的解剖结构可能与一个关键发育基因的消失有关。这一发现也揭示了蜘蛛和蝎子的远古近亲是如何进化的，为地球上一些最奇特生物的起源提供了新的线索。
首个海蜘蛛基因组揭晓
海蜘蛛（Pycnogonida）是海洋中最奇特的生物之一。这些海洋节肢动物拥有极其狭窄短小的躯干，几乎看不到腹部。它们的内脏甚至延伸到细长的腿中。尽管名字叫海蜘蛛，但它们并非真正的蜘蛛，而是与蜘蛛有亲缘关系。它们属于螯肢动物门，该门下还包括蜘蛛、蝎子、螨虫和鲎。螯肢动物门因其爪状口器（称为螯肢）而得名。
海蜘蛛奇特的体型长期以来一直困扰着科学家们。如此奇特的结构是如何形成的？它又揭示了螯肢动物进化的哪些奥秘？为了解答这些问题，研究人员开始研究海蜘蛛的DNA。
尖端测序揭示DNA秘密
为了解码海蜘蛛基因组，研究人员使用了先进的测序技术。首先，他们使用一种名为长读测序的方法，从单个海蜘蛛（Pycnogonum litorale）个体中提取了DNA。这种方法可以捕获大片段、连续的DNA片段，帮助科学家拼凑基因组中复杂且重复的部分。
接下来，他们研究了第二个个体，以了解基因组不同部分在细胞核内的排列方式。这有助于确定DNA片段的正确顺序。
通过结合这两种方法，研究团队以惊人的细节组装了57条假染色体，几乎涵盖了海蜘蛛的整个基因组。他们还分析了不同发育阶段的基因活动，从而更深入地了解了这种生物的生长和形成过程。
“许多非典型实验室生物的基因组组装都极具挑战性，Pycnogonum也不例外。只有结合现代高通量数据源，才能构建出高质量的基因组，”该研究的第一作者、维也纳大学进化生物学系的 Nikolaos Papadopoulos 说道。“这现在可以作为进一步研究的基石。”
海蜘蛛Pycnogonum litorale正在进食海葵。图片来源：Georg Brenneis
基因丢失，影响可见
研究团队特别关注了所谓的Hox基因簇——一个在动物界进化过程中高度保守的基因家族。“在节肢动物中，Hox基因在正确定义不同体节方面发挥着核心作用；但在许多其他动物群体中，它们也是身体结构发育过程中至关重要的‘主控制器’，”维也纳大学进化生物学系的项目负责人之一安德烈亚斯·万宁格（Andreas Wanninger）解释道。
海蜘蛛（Pycnogonum litorale）的惊人秘密：Hox基因簇的一部分，即腹部-A基因（Abd-A），在基因组中完全缺失。Abd-A基因通常参与身体后部的形成和发育。该基因的缺失可能与海蜘蛛腹部的极度萎缩有关。在其他后部萎缩的节肢动物中也观察到了类似的情况，例如某些螨虫和藤壶。因此，海蜘蛛为Hox基因缺失与身体部位萎缩之间已得到充分证实的进化关系提供了另一个例证。
该基因组还能揭示更广泛的进化模式。与蜘蛛和蝎子不同，它们的基因组显示出明显的古代全基因组复制迹象，但在P. litorale的基因组中却没有发现这样的痕迹。由于密生纲动物被认为是所有螯肢动物的姊妹分类单元，这表明螯肢动物祖先的基因组中尚未出现这些复制；相反，对于某些螯肢动物亚群而言，这些复制一定是在进化的后期发生的。
一个新的参考基因组
这一新组装的高质量基因组为进一步的比较研究奠定了基础。P . litorale也因此成为研究螯肢动物之间的相互关系及其体型演化，以及节肢动物多样性遗传机制等问题的一个新的、有价值的参考物种。
“从进化发育的角度来看，海蜘蛛非常有趣：它们的发育模式或许是节肢动物的祖先，但同时它们又拥有多项独特的体型创新。除此之外，它们还拥有非凡的再生能力，”本文最后一位作者、维也纳大学进化生物学系的乔治·布伦尼斯（Georg Brenneis）解释道。他补充道：“现在我们有了基因组和发育过程中基因活动的全面数据集，我们可以在分子水平上系统地研究所有这些方面。”
研究人员将利用新的参考基因组进一步研究螯肢动物的基因调控、发育和再生，旨在更好地了解该群体进化成功背后的过程。
编译自/scitechdaily
