近日，中国科学院水生生物研究所何舜平研究员团队首次解析了已知唯一具有结冰耐受能力的鱼类，葛氏鲈塘鳢的基因组，转录组及代谢组，发现葛氏鲈塘鳢进化出一系列适应性特征来抵抗冰冻状态。研究成果以Multi-omics investigation of freeze tolerance in the Amur sleeper, an aquatic ectothermic vertebrate为题，在线发表于进化生物学著名期刊Molecular Biology and Evolution。中国科学院水生生物研究所杨连东青年研究员(第11批会员)为最后通讯作者。

全球超过 80%的地区呈现季节性寒冷或常年低温，低温对在这些地区栖息繁衍的动物的生存造成了极大挑战。面对低温胁迫，一些恒温脊椎动物会采取冬眠的方式，而无法调节体温的变温脊椎动物，会迁徙到相对温暖的地区或者躲避在栖息地冰冻层下相对温暖的区域，有的则可通过产生抗冻蛋白的方式避免体液结冰，例如南极冰鱼（Chaenocephalus aceratus），还有一种并不常见的生存策略是忍受体液的结冰，例如分布在北美的木蛙（Rana sylvatica）在冬天时会冻成“冰块”，春天时又能融化复苏。关于结冰耐受的机制研究虽然较多，但这种复杂的适应性进化的遗传基础仍不清楚。

通过对已知唯一具有结冰耐受能力的鱼类葛氏鲈塘鳢（Perccottus glenii）以及其近缘但不具有耐寒能力的海南新沙塘鳢（Neodontobutis hainanensis）开展了比较基因组、转录组和代谢组学分析。研究发现，葛氏鲈塘鳢与海南新沙塘鳢在约15.07百万年前分化，葛氏鲈塘鳢具有更快的蛋白进化速率。研究还发现葛氏鲈塘鳢基因组中与低代谢（如nadufaf6和atp5f1d）、细胞应激反应(如shc1、oxr1、hspa12b、ercc8、ercc6l2)、细胞骨架稳定性（如kntc2、spc24、haus3、CTT complex、tppp）、抗冻保护剂的合成（如g6pc和g3pp）与跨膜转运(如aqp3、aqp4、glut2)以及神经传递相关基因(如adora、gabrg2、mglur5、fbxo2)发生了正选择、快速进化或特异性扩张，并进一步揭示了相关基因在结冰前，结冰期和复苏期的表达调控模式，这些基因的适应性变化可能在葛氏鲈塘鳢结冰耐受中扮演重要的作用。同时，代谢组学分析揭示了与抗氧化应激反应有关的多种代谢物的含量变化并发现了多种糖类、醇和氨基酸可能是葛氏鲈塘鳢的抗冻保护剂。这些结果为深入理解变温脊椎动物结冰耐受适应的分子机制提供了证据，也为医学上抗冻保护剂的研发以及揭示人类神经相关疾病（如焦虑症）的致病机理提供了参考。

中国科学院水生生物研究所博士毕业生姜海峰（现为西北农林科技大学副教授）和吕文琪为本文的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等项目的资助。

图1 葛氏鲈塘鳢结冰期和复苏期的转录及代谢调控