包括人类在内的陆生脊椎动物（也称四足动物）的祖先是由鱼类在四亿年前从海洋走向陆地进化而来的。这一过程需要在呼吸系统、运动系统、神经系统等方面进行各种生理和形态的革新，才能实现水生到陆生的转变。经过长期的古生物学和脊椎动物学的研究，已知现在还在活着的四足动物的鱼类近亲是肺鱼。肺鱼和四足动物属于肉鳍鱼类，与常见的各种鱼所在的辐鳍鱼类一起被统称为硬骨鱼类。然而，从硬骨鱼祖先到肉鳍鱼祖先再到陆生脊椎动物各种进化改变的遗传创新基础是什么，一直是科学界悬而未决的重大科学问题。解析肺鱼和早期辐鳍鱼类这些“活化石”鱼类的基因组是解决这一重大问题的关键。 

脊椎动物从水生到陆生的演化历程 

　　2021年2月5日凌晨，国际著名学术刊物Cell在线发表了中科院深海所联合国内外合作者完成的题目分别为“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”和“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”两篇研究论文（图二、三）。这两项姊妹篇研究分别解析了非洲肺鱼，原始辐鳍鱼类中的多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝的基因组，然后通过基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等多学科交叉的比较分析，分别从不同角度揭示了四足动物祖先水生到陆生转变的遗传创新基础。 

　　生物的遗传信息存储于DNA之中，一个物种DNA的总和被称为该物种的基因组。人类的基因组约为3Gb，而肺鱼的基因组大小是人类的十多倍以上，达到40多Gb。对这一超大基因组的解析一直是科学界的难题。肺鱼的研究论文成功解析了非洲肺鱼的基因组，该基因组成为迄今被解析的最大基因组。研究中开发的两个基因组解析软件正在成为基因组学研究领域的通用软件，再次彰显了我国在基因组学研究领域的前沿影响力。非洲肺鱼论文的研究发现，脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在原始硬骨鱼类共同祖先中已经出现。随后，肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件，使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终，四足动物进化出了更多基因和功能元件从而具备了完备的空气呼吸能力，成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的基因也呈现类似渐进式创新的特点。四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官，桡骨则是从肺鱼和四足动物祖先开始起源，五指则从四足动物才开始出现。肺鱼论文的研究发现了参与这些功能形成的一批基因和基因调控元件。此外，研究还发现了大脑、心脏等多个器官适应陆地生活的遗传变异基础。

　　第二项工作围绕原始辐鳍鱼的基因组，分析陆生脊椎动物功能在更早期鱼类里的演化历史。陆生脊椎动物起源过程中伴随着的两个突出的适应性功能形态演化事件，即鳃式呼吸演化为肺式呼吸，以及鱼鳍演化为四肢。研究发现调控四肢运动灵活性的基因功能元件在早期辐鳍鱼类已经出现，这些元件在我们常说的鱼类，也即辐鳍鱼类的另一进化枝——真骨鱼里丢失掉了，但在原始辐鳍鱼和肉鳍鱼里保留下来，最终为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也同样可以追溯到所有硬骨鱼共同祖先，这一时期的‘原肺’在多鳍鱼和肺鱼中继续演化成更为成熟的肺，而在大部分其他硬骨鱼——也即我们常见的真骨鱼里演变成鱼鳔。此外，陆生脊椎动物的出现也伴随着心肺系统从单循环到双循环的协同演化过程。在双循环系统演化中起到重要调节功能的基因元件也能在多鳍鱼里找到，说明一些在原始辐鳍鱼类中的古老遗传创新已经为脊椎动物水生到陆生的演化提供了重要的基础。

基于原始辐鳍鱼和肺鱼比较基因组学研究阐明的脊椎动物水生到陆生的关键遗传创新

　　上述两项成果为揭示脊椎动物从陆生到水生遗传创新基础提供了前所未有的认知，是陆生脊椎动物起源进化研究的新里程牌，鉴定到的各种遗传变异为未来肺等器官的起源和功能研究提供了大量新线索。

　　肺鱼研究工作的通讯作者为王文教授（中科院昆明动物所/西北工业大学）、何舜平研究员（中科院深海所）、邱强教授（西北工业大学）和赵文明研究员（中科院北京基因组所），第一作者为王堃（西北工业大学）、王俊（华南农业大学）、朱成龙（西北工业大学）、杨连东（中科院水生所）、任彦栋（西北工业大学）、阮珏（中国农业科学院深圳农业基因组研究所）、范广益（青岛华大基因研究院）和胡江（武汉希望组生物科技有限公司）。 

　　原始辐鳍鱼研究的通讯作者为张国捷教授（深圳华大基因研究院/中科院昆明动物所/哥本哈根大学）、何舜平研究员（中科院深海所）、朱敏研究员（中科院古脊椎动物与古人类研究所）和王文教授（西北工业大学/中科院昆明动物所），第一作者为毕旭鹏（中科院水生所/深圳华大基因研究院）、王堃（西北工业大学）、杨连东（中科院水生所）、潘海林（深圳华大基因研究院）、姜海峰（中科院水生所）和危起伟（中国水产科学研究院长江水产研究所）。