广东
“鱼离不开水”，是人人皆知的常识。
但有一种鱼，却必须时不时离水呼吸，如果长时间只在水里待着，很容易溺亡。不仅如此，它甚至能在极端干旱的陆地上进入休眠状态，不吃不喝持续数月乃至数年之久，直到雨季来临才重新恢复正常活动。
这种神奇的鱼便是“非洲肺鱼”，至今已在地球上存在4亿多年。作为现存最接近四足动物的近亲，非洲肺鱼被认为是破解脊椎动物从水生到陆生演化的关键物种。
9月13日，华大生命科学研究院在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表非洲肺鱼呼吸器官最新研究成果。研究基于华大智造自主研发的DNBelab C4单细胞建库测序平台，构建了迄今最完整的非洲肺鱼呼吸器官在夏眠和水生环境中的高分辨率单细胞图谱，为进一步探索脊椎动物演化之谜提供重要依据。该研究是继2021年华大研究院参与构建 后的又一代表性成果。
《自然·通讯》官网截图
构建非洲肺鱼呼吸器官单细胞图谱
非洲肺鱼的显著特征是具有多重呼吸系统，其在水环境和陆地环境均以肺为主要呼吸器官，鳃和皮肤辅助呼吸。其中，非洲肺鱼的肺结构，具有现代脊椎动物肺的原始形态，也因此成为研究四足动物呼吸器官进化的关键物种。
本次研究团队基于华大智造单细胞建库平台DNBelab C4，对来自非洲肺鱼肺组织的53,605个细胞和来自非洲肺鱼鳃组织87,347个细胞进行测序，构建了迄今最完整的非洲肺鱼呼吸器官高分辨率细胞全景图。
非洲肺鱼肺（左）和鳃（右）细胞图谱
研究团队结合此前发表的非洲肺鱼基因组数据，通过对实验室诱导夏眠33天的非洲肺鱼和对照组取样，在非洲肺鱼肺和鳃中分别鉴定出14和22种细胞类型，首次以高分辨率图谱形式展现了非洲肺鱼呼吸器官的细胞组成。
实验室诱导非洲肺鱼夏眠
“非洲肺鱼的进化地位比较特殊，研究其呼吸系统能够反映脊椎动物登陆过程中的状态变化。”文章共同通讯作者、深圳华大生命科学研究院数字化地球研究所主任科学家范广益表示，“本次研究构建的单细胞图谱全面描述了非洲肺鱼呼吸器官的细胞类型组成，为后续探索脊椎动物呼吸系统的进化和适应提供了宝贵的资源。”
揭示非洲肺鱼陆化过程中的细胞和分子特征
脊椎动物从水到陆地的转变是进化史上的一个里程碑事件。作为一种古老的物种，非洲肺鱼具备诸多进化过程中的过渡特征，可视为鱼类到两栖类的中间形态。
为进一步揭示早期脊椎动物由水到陆过程中器官、组织的变化，研究团队基于本次构建的单细胞图谱，对非洲肺鱼夏眠组和对照组的肺和鳃组织展开深入比较。研究团队从细胞组成、分子表达差异和细胞间互作层面进行差异分析，结果表明，短期夏眠不会造成细胞类型层面的增加或缺失，而一些关键的细胞，如肺泡上皮细胞和鳃增殖细胞，则在夏眠期间显示出细胞代谢层面的显著下调。
此外，研究团队利用已发表的关键脊椎动物呼吸器官单细胞数据，从细胞和基因表达调控层面进行物种间的比较分析。结果表明，尽管非洲肺鱼的肺在结构上较为原始，但其基本的细胞组成和关键基因表达与高等哺乳动物具有较高的相似性，具备高等哺乳动物肺的基本功能。该研究结果进一步证实了非洲肺鱼与典型脊椎动物呼吸器官的同源性。
斑马鱼鱼鳔、非洲肺鱼肺、人鼠肺同源关系
本研究成功构建了非洲肺鱼呼吸器官细胞全景图，揭示了非洲肺鱼细胞类型的多样性，以及在夏眠过程中的基因表达和细胞互作关系，并从细胞层面解析了鱼鳔和非洲肺鱼肺细胞类型之间的广泛同源性。
文章共同第一作者、青岛华大研究院联合培养学生张瑞华表示：“本次研究为陆地脊椎动物的演化，尤其是呼吸系统的演化提供了数据支撑。后续团队将开展非洲肺鱼呼吸系统相关的系列研究，希望为描述脊椎动物的演化过程提供更多关键证据。”
深圳华大生命科学研究院数字化地球研究所主任科学家范广益研究员、南京师范大学教授Inge Seim为本文的共同通讯作者。青岛华大研究院张瑞华、刘群、潘珊珊为本文共同第一作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（No.32170439）, 海南省科技重大专项（ZDKJ2019011）等项目的支持。
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