大菱鲆视蛋白基因表达与光谱调控技术研究

• Main Author: 王雨浓
• Other Authors: 李军
• Format: Other/Unknown Material
• Language: Chinese
• Published: 2020
• Subjects: 大菱鲆; 视蛋白; 视网膜; 变态; 底栖适应; 生物学::生物工程(亦称生物技术); 工学; 工学::生物工程; Scophthalmus maximus; Turbot
• Online Access: http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/164655

摘 要 视觉是鱼类最重要的感觉系统之一，与其交配、躲避天敌及觅食等行为密切相关。视蛋白是视觉形成的分子基础，它与生色基团结合构成视觉形成的起始元件。视蛋白的组成与功能的多样化是鱼类视觉适应性进化的主要途径之一。然而鱼类视蛋白基因如何适应其生活史不同阶段光环境的变化目前仍不清楚。大菱鲆（Scophthalmus maximus）是我国重要的海水养殖品种之一，具有很高的经济价值，其早期发育经历重要的变态过程，可从变态前的浮游生活转变为底栖生活，其生活习性的改变伴随着栖息环境的巨大变化，尤其是光环境的转变。本文选取大菱鲆为对象，研究其早期发育阶段视网膜结构变化、视蛋白组成与表达变化、不同光谱环境下视蛋白的差异表达，及其幼鱼期对不同光谱的选择性，以期探明大菱鲆视觉器官结构及功能发育特征，并探寻鱼类视觉特征与栖息光环境的适应与关联。本文可为大菱鲆工厂化养殖中光照调控技术的提升奠定理论基础，进而推动大菱鲆产业的健康发展。相关结果如下： 1.1月龄大菱鲆视网膜外核层细胞核数（O.N.）与神经节细胞数（G.）的比值为2.22，此阶段视网膜网络会聚程度低，视敏性较高。4和9月龄大菱鲆视锥细胞和G.的数量均显著低于1月龄，O.N.数量的变化则刚好相反。变态后O.N./G.比值增大，视敏性降低。视杆细胞的数量和比例均增大，表明其在底栖生活阶段光敏性增强。据此推测大菱鲆通过提高视杆细胞数量来应对深海昏暗的光环境。 2.大菱鲆拥有全部5类视觉视蛋白基因，分别为视紫红质（RH1）、红视蛋白（LWS）、紫外视蛋白（SWS1）、蓝视蛋白（SWS2）以及绿视蛋白（RH2A1、RH2A2、RH2B1、RH2B2和RH2C）。不同于其他几类单拷贝基因，其绿视蛋白由5个旁系同源基因组成。大菱鲆与太平洋蓝鳍金枪鱼（Thunnus orientalis）一样，是目前为止发现RH2基因最多的物种之一。 3.大菱鲆在不同发育阶段，视蛋白基因表达存在一定变化。杆视蛋白RH1的表达随着生长发育逐渐增高，至9月龄达到最高值，其后维持高表达水平不变。锥视蛋白基因在0.5和18月龄表达量均较低，其中0.5月龄时LWS表达量最高，其表达比例为47.98%。随着变态和发育，RH2B1逐渐取代其成为表达占据主导地位的视蛋白基因，其最高比例为9月龄时的63.27%。18月龄时RH2B1表达比例无显著改变，但LWS表达比例略有增高。大菱鲆在发育过程中可能经历了光谱敏感性由红光到绿光的的转变，这可能是其在进化过程中保留下来应对生活史转变的一种适应策略。18月龄LWS比例增高可能是为其上浮至较浅水层繁殖做准备。 4.不同光谱LED光处理，可引起大菱鲆部分视蛋白基因表达变化。九种视蛋白基因中，只有RH2B1、SWS1和SWS2的基因表达水平在五种处理下存在显著差异。三者均为全光谱（F）、蓝光（B）、和绿光（G）处理组个体基因表达水平显著高于红光（R）和橙光（O）组个体。其中B和G组个体的SWS1、SWS2和RH2B1表达量约为O和R组个体的二倍，而F组略高于O和R组。其他六个视蛋白基因的表达量在各处理组间无显著差异。据此推测，这种视蛋白的差异表达是大菱鲆应对光环境迅速变化的一种响应。此外，与其他物种例如孔雀鱼（Poecilia reticulata）相比，大菱鲆幼鱼缺少了LWS表达的可塑性。 5.大菱鲆绿视蛋白基因亚型RH2C发生E122Q和M207L的氨基酸替换，二者均与视蛋白光谱敏感性向短波长偏移密切相关。枝位点模型分析发现二者在进化过程中均受到正选择。据此推测大菱鲆可能通过氨基酸替换获得光谱敏感峰值蓝移的绿视蛋白亚型，并因此增强了对蓝光的识别能力，利于其对底栖生活阶段蓝光环境的适应。 6.在对不同光谱的选择性实验中，大菱鲆幼鱼表现出明显的绿光偏好性，其在绿光区域出现的概率为48.00%，其次为蓝光（11.56%）和全光谱（8.18%），红光和黄光区域的出现次数最少，二者均在1%之下。本实验结果为大菱鲆变态后的绿光高敏感性提供了证据。大菱鲆对绿光的偏好可能与其自然环境中的底栖生活阶段，栖息水层以中短波长光谱为主有关。 关键词：大菱鲆，视蛋白，视网膜，变态，底栖适应