由水生向陆生进化性适应是脊椎动物进化史上最重要的事件之一，一些硬骨鱼类冒险离开水面，进化成两栖习性生物。弹涂鱼是适应滩涂生活的最大鱼类类群，隶属于鰕虎鱼科（Oxudercidae）。它们有很强的陆生适应能力，包括空气呼吸、空气视觉和陆上爬行等，是比较研究脊椎动物从水到陆生发育适应的重要模型。
弹涂鱼包括10属（如Boleophthalmus、Periophythus、Periophython、Scartelaos、Zappa和Pseudapocryptes）42种，其中大弹涂鱼（Boleophthalmus pectinirostris，BP）广泛分布于中国和日本沿海滩涂，皮肤呈灰色，有大量的小白点；大鳍弹涂鱼（Periochmythus magnuspinnatus，PM）浅棕色皮肤，脸颊、鳃盖、两侧和头部有天蓝色斑点，常见于韩国和中国南海的中高潮间带；广东弹涂鱼（Periophthalmus modestus ，PMO）皮肤灰白，有一些暗条纹和小黑点，广泛分布于温带和热带潮间带，包括从越南到韩国的西北太平洋以及日本。它们的陆生适应能力差异很大，例如大弹涂鱼离开水体的时间通常较短，而大鳍弹涂鱼和广东弹涂鱼能在陆上栖息地停留较长时间，甚至捕食昆虫和小蟹。该研究基于三种弹涂鱼（大弹涂鱼、大鳍弹涂鱼和广东弹涂鱼）的染色体图谱开展深入的比较基因组学研究，揭示三种弹涂鱼的染色体结构差异、弹涂鱼祖先染色体进化以及水生到陆生的适应性分子机制。
基因组比较：在该研究中，发现三种弹涂鱼的基因组大小差异很大，大弹涂鱼的基因组（957.8Mb）比其它两种大100～200Mb。大弹涂鱼重复序列的总长度（454.0 Mb）也比另外两种弹涂鱼（304.2 Mb和374.2 Mb）长。通过对重复序列的详细类型进行分析，发现大弹涂鱼（105.1 Mb）中长末端重复序列（LTR）的总长度约为大鳍弹涂鱼（47.5 Mb）和广东弹涂鱼（59.0 Mb）的两倍左右。在计算它们的LTR插入时间之后，观察到它们的LTR似乎随着时间逐渐累积。大弹涂鱼基因组中显著的LTR积累和插入期估计在5到10百万年（ Mya）之间，这比大鳍弹涂鱼和广东弹涂鱼的更晚。大规模的LTR爆发（图1），可能是大弹涂鱼基因组比其它两种弹涂鱼更大的重要原因。
图1 三种弹涂鱼的基因组进化性比较
三种弹涂鱼及其共同祖先的染色体进化：三种弹涂鱼单倍型基因组中大鳍弹涂鱼有25条染色体，比大弹涂鱼和广东弹涂鱼多出两条。以前有研究预测硬骨鱼类祖先核型可能包含13对染色体（以a~m为代表），随后经历硬骨鱼类特有的基因组复制事件，导致染色体易位或变异，并通过丢失一些功能冗余的基因和片段而返回二倍体，然后逐渐形成最近的硬骨鱼类核型。本论文首次预测弹涂鱼祖先的染色体核型。对弹涂鱼的祖先染色体分析数据显示，一条祖先染色体（i）和另一条祖先染色体（k）在弹涂鱼祖先染色体核型中发生了融合事件（图2）。因此，大弹涂鱼和广东弹涂鱼具有相似的融合染色体（分别为Chr18和P_modestus_54）。然而，在大鳍弹涂鱼中，可清楚地观察到祖先染色体分裂成为两个独立的染色体（Chr12和Chr23）。此外，在大鳍弹涂鱼的Chr11和Chr25中各发现一个特定的裂变片段，它们直接由大鳍弹涂鱼谱系中的祖先染色体（b）分裂而来。
图2 弹涂鱼祖先染色体及其进化
陆生适应性分子机制：空气呼吸的弹涂鱼通过一些相对发达或改良的结构来应对陆地上的干燥环境，例如加厚皮肤和丰富血管、减少甚至没有鳞片，以改善气体交换能力。大弹涂鱼、大鳍弹涂鱼和广东弹涂鱼的皮肤组织学结果显示，它们的鳞片较少，仅在表皮下形成微小细鳞。因此，在这些弹涂鱼和其它具有正常鳞片的硬骨鱼类之间，存在某些参与鳞片形成的基因差异。例如，SCPP基因家族编码一系列富含P/Q的酸性蛋白（secretory calcium-binding phosphoprotein），参与骨骼矿化以及牙齿和鳞片的形成。该研究结果表明，弹涂鱼的SCPP基因数目较少（图3），推测某些特定SCPP基因的缺失可能会导致弹涂鱼鳞片的减少，这对弹涂鱼的陆生生活无疑是有益的。
图3 动物中SCPP基因家族的基因组分布比较
同时，该研究再次证实了aanat1a基因在大鳍弹涂鱼中的缺失现象，但在大弹涂鱼和广东弹涂鱼中正常存在（图4）。AANAT1a蛋白（arylalkylamine N-acetyltransferase 1a）可使视网膜中多巴胺乙酰化，从而降低视网膜中多巴胺浓度，进而导致大多数鱼类出现离开水体后变成近视的现象。因此推测aanat1a的缺失是为了保持视网膜中多巴胺的高水平，从而帮助陆生习性强的大鳍弹涂鱼保持良好的空气视觉，以便在陆地上能调整视力以获得清晰视觉，从而有利于快速逃跑或捕食。虽然属于同一个属，但大鳍弹涂鱼出现aanat1a基因丢失而广东弹涂鱼却仍然保留这个基因，这表明大鳍弹涂鱼可能比广东弹涂鱼具有更好的陆上视力。这个存在于同属物种中细微变化的例子，表明弹涂鱼从水生向陆生进化是一个循序渐进的过程。 正所谓“一步一个脚印”，细微变化仍能参与决定进化前行的方向。
图4 三种弹涂鱼中aanat1a基因的比较分析
综上所述，该研究分别为大弹涂鱼和大鳍弹涂鱼构建了高质量的染色体图谱，两种弹涂鱼的高度完整性组装基因组和注释基因集可广泛用作鰕虎鱼科的参考数据。同时，利用外部团队已发表的广东弹涂鱼染色体图谱数据，重新形成高质量的注释基因集。该研究还发现大鳍弹涂鱼单倍型基因组中有两个特定的染色体分裂事件，从而形成25条染色体，比大弹涂鱼和广东弹涂鱼（23条染色体）多出2条。本研究构建了弹涂鱼的祖先染色体，并在预测的弹涂鱼祖先染色体中观察到一个共同的融合事件。有趣的是，三个弹涂鱼基因组中有一些SCPP基因缺失，这可能导致弹涂鱼鳞片减少，进而改善弹涂鱼的空气呼吸能力；aanat1a基因的丢失现象在大鳍弹涂鱼中再次得到证实，但在同属的广东弹涂鱼中仍然保留这个基因，这表明陆生习性强的大鳍弹涂鱼可能具有更好的陆上视力，衬托出弹涂鱼类从水生向陆生的“逐步细化性”进化历程。论文产生的三种弹涂鱼高质量基因组数据，将成为深入研究脊椎动物水陆过渡和比较基因组学的宝贵遗传资源。
