成年海洋刺鱼(上)和淡水刺鱼(下) 三脊刺鱼沾着红色的染料用来标记骨骼钙化。淡水鱼离开大海之后迅速失去了盔甲、腹鳍和其他骨骼。(照片由尼古拉斯•埃利斯和克雷格•米勒提供，加州大学伯克利分校)

【导读】自大约一万年前末次冰期结束后，生活在海洋中的刺鱼不断地向世界各地的河流与湖泊拓殖。科学家在刺鱼这种“披盔戴甲”的小鱼身上发现，控制牙齿数量变化的基因，通过基因改变，刺鱼能够更快地适应新的环境。刺鱼——鱼类世界中的斜齿鳊，是研究通过基因改变来控制身体形状的理想动物。它们从海洋进入到世界各地数以千计的淡水溪流和湖泊中，每一次都能够改变他们的身体以适应新的环境。

目前，对海洋和淡水刺鱼种群的育种研究，重点已经转向基因研究，关注能够控制牙齿数量的基因。有证据表明，淡水种群的刺鱼有一个简单的基因改变，它们的牙齿数量翻了一倍。美国加州大学伯克利分校的科学家说，如果以人类作为参照物，那么改变的是影响牙齿、下巴和骨骼形成的那些基因。

“这项研究表明，Bmp6基因，在脊椎动物的器官再生中发挥着关键作用。”加州大学伯克利分校分子和细胞生物学助理教授首席研究员克雷格·米勒说，“了解鱼牙齿再生过程，就能为人类找到牙齿再生的方法。”

“很明显，齿数和腭裂之间存在生物学上的联系，这是因为控制这两个区域的基因是相同的。”他补充道，“如果想要知道是什么导致畸形，如腭裂，那么了解哪些基因控制牙齿数量是很重要的。”

2014年9月，米勒和他来自加州大学伯克利分校以及斯坦福大学的同事们，将研究成果发表在《美国国家科学院院刊》杂志网络版上。

这一发现揭示了进化过程如何改变和生成新的身体形状。生物学家指出，这一结果主要是功能基因的改变而不是基因突变。迄今为止，已经证实鱼失去的特征包括护板、腹鳍和色素。

“我们第一次发现还有这样的情况发生，即失去一些特征还会获得另一些特征。”米勒说。

快速适应淡水

三脊刺鱼长得很像鲑鱼、2英寸长，它们是溯河产卵，即生活在海洋，却在淡水溪流繁殖。冰河时代结束以来，12000年前，许多刺鱼在湖泊和小溪生活，它们的身体迅速适应新的环境：长出了更多的牙齿和更强壮的下颚，也许是为了在淡水中发现更多的猎物，也许是希望遇见更少的天敌，它们失去了盔甲。在阿拉斯加湖，这些变化仅仅花了10年时间。

米勒和他的博士后导师斯坦福大学的大卫·金斯立，以及麻省理工学院的科学家们，在2012年对21个种群做了基因组测序。他们发现所有刺鱼似乎有相同的基因，但为了迅速适应正在变化的环境，调节基因组迅速变化使得刺鱼的身体特征发生改变。

因为祖先海水种群仍然可以在淡水中繁殖种群产生后代，研究人员可以从不同的种群杂交鱼身上追踪控制那些身体变化的基因。2007年，刺鱼基因组测序后不久，米勒用杂交的方法追踪参与了鱼类和人类色素沉着的基因。在加州大学伯克利分校，他用171个鱼缸养殖来自世界各地的11个刺鱼种群，这些刺鱼来自日本、加拿大到旧金山海湾地区66条溪流中的58条。

这项新研究指出了一个可能基因的位置，骨形态形成蛋白6(Bmp6)，负责齿数。虽然所有刺鱼的基因是相同的，但海水和淡水鱼类种群中，位于Bmp6附近的DNA改变片段是不同的，这表明这个改变片段是负责额外牙齿的。淡水鱼种群相比于海水鱼种群来说，Bmp6基因表达的程度更高。

刺激基因

“我们也认为刺激Bmp6使得牙齿数量加倍。”米勒说，“这相当简单的基因改变，就能获得新的身体特征，是令人惊讶的。一个变化很小的基因调整竟然有很大的影响。”

Bmp6活动增加发生在鱼幼体发育后期，那时候它已经近一英寸长，处于青年时期。在此之前，淡水鱼群和海洋鱼群拥有相同的牙齿数量。而在淡水刺鱼的一生中，牙齿数量继续增加，齿板的面积和牙齿的密度均增加。

“我们发现来自淡水的刺鱼能够让牙齿不断地保持生长，似乎从来没有慢下来，而它们的祖先没有长那么多牙齿。” 米勒说，“尽管很久以前，生物学家就已经知道了鲨鱼和一些鱼类不断更换牙齿，但是直到现在对于牙齿模式进化的基因基础仍然一无所知。”

米勒和同事们通过杂交阿拉斯加海水刺鱼和加拿大帕斯科斯顿湖淡水刺鱼，找到了Bmp6基因的位置。加拿大刺鱼的牙齿数量是阿拉斯加海水刺鱼数量的两倍，他之前的研究确定参与控制鱼齿数量的7个基因组。这项新研究将范围缩小到其中一个DNA的一段，即Bmp6基因包含的21号染色体。

这项研究得到了美国国立卫生研究院的部分资助。论文的合作者是来自加州大学伯克利分校的菲利普·A·克利夫斯；尼古拉斯·A·埃利斯和莫妮卡·T·吉梅内斯，斯坦福大学的斯蒂芬妮·M·涅斯和大卫·M·金斯利，以及加拿大温哥华英属哥伦比亚大学的Dolph Schluter。