近日，海洋所贝类适应演化与遗传育种团队在海洋生物适应演化机制研究中取得新进展，以Article形式在国际学术期刊The Innovation（IF=32.1）刊发了题为“Genome architecture and selective signals compensatorily shape plastic response to a new environment”的研究论文，揭示了表观动态和遗传变异协同塑造海洋生物的环境适应能力并调控关键适应性性状。 

　　进化生物学从达尔文学说到现代综合论，强调遗传变异，却忽略了表型可塑性（同种基因型的个体在不同环境下表现出多种表型的能力）在适应性进化中的作用。对于营固着生活或有限行为能力的海洋生物，更需通过可塑性响应和遗传变异共同应对环境变化，而二者对生物适应性的影响及其互作机理是进化生物学的研究热点和难点。 

　　河口和潮间带生态系统属于海洋与陆地交界的高变异边域环境，不仅是响应气候变化的敏感区域，也是研究生物适应演化机制的理想体系。牡蛎是该系统中的优势种，课题组已有研究表明：牡蛎为适应高变异环境演化出高遗传多态性（Zhang et al., Nature, 2012）和高表型可塑性（Li et al., 2018, Nature Ecology & Evolution; Li et al., 2021, Molecular Biology and Evolution），是研究二者互作机理的模式物种。表观遗传学打开了适应演化机制研究的另一扇大门，为研究生物可塑性响应的遗传调控机理提供了新视角。近年来，基因组三维结构成为表观调控研究的热门，成功将基因组研究从核苷酸序列的二维平面走向染色体区室（compartment）、拓扑相关结构域（TAD）等的三维空间；染色质可及性可进一步解析基因组空间互作模型并鉴定增强子、启动子等具有重要调控作用的功能元件。上述新兴技术为建立遗传变异和表观调控之间的关系奠定了物质基础。 

　　本研究构建了野外异地养殖实验，即将北方近江牡蛎在南方海域进行短期自然驯化。研究发现近江牡蛎基因组具有明显的三维结构，活跃的compartment A具有更高的基因密度和基因表达水平；基因组三维结构是响应环境变化的，且响应环境变化的基因多数处于compartment A和TAD boundary区域，其中转变为活跃区的基因表现出更高的转录可塑性。 

图 近江牡蛎基因组三维结构及其环境响应性

　　在染色体水平上，无论在基因数目还是区段长度，compartment A和TAD boundary的变化都与选择（selection）呈显著负相关；受选择固定系数F_ST值与转录可塑性也呈显著负相关，说明基因组中参与长期适应演化的受选择区域的短期环境响应能力是有限的。染色体1，5，10上活跃区三维结构和可及性变化的基因表现出更高的转录可塑性，说明环境响应性在染色体水平上具有特异性。 

图 牡蛎长期选择遗传变异与短期基因组三维动态响应之间的关系

　　我们锁定了在环境变化中表达水平、compartment、loop互作、可及性发生变化的ManⅡa基因，鉴定到与其上游10 kb区域存在互作的近端和远端增强子各2个，四者能显著提高转录活性，其中增强子E3在南方环境下具有更强的互作和可及性。此外，E3中转录因子（UNC_62）结合位点上C-A突变减弱了与UNC_62的亲和力和转录活性，从而降低了ManⅡa基因表达。敲低ManⅡa基因显著升高甘露糖聚糖含量，改变平滑肌结构，增大肌纤维间距，减弱闭壳肌拉力，以及降低高温耐受性；然而，当敲低E3转录的lincRNA时，会显著降低甘露糖聚糖含量，使平滑肌结构紧密，闭壳肌拉力和高温耐受性增强。基于上述结果，我们构建了双壳贝类关键适应性性状—壳闭合的调控模式图。 

图 近江牡蛎壳闭合的调控示意图

　　本研究提供了基因组三维结构和选择信号的景观图谱，发现活跃区具有更高的转录可塑性，揭示长期选择的遗传变异和短期环境响应的基因组三维结构动态补偿性（进化代偿：evolutionary trade-off）塑造了牡蛎的环境响应性；二者共同调控了双壳贝类关键适合度性状—壳闭合的关键基因，并解析了从遗传变异-空间结构-基因表达-代谢物到表型的具体调控通路。研究结果扩展和丰富了可塑性演化的表观理论，同时为优异种质的遗传资源挖掘提供了育种分子模块。 

　　论文第一作者为黎奥副研究员，李莉研究员和张国范研究员为通讯作者，硕士研究生赵明洁参与了相关工作。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会等项目的支持。 　　  

　　原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00092-9