「魚離不開水」，是人人皆知的常識。

    但有一種魚，卻必須時不時離水呼吸，如果長時間只在水裏待着，很容易溺亡。不僅如此，它甚至能在極端乾旱的陸地上進入休眠狀態，不吃不喝持續數月乃至數年之久，直到雨季來臨才重新恢復正常活動。

    這種神奇的魚便是「非洲肺魚」，至今已在地球上存在4億多年。作為現存最接近四足動物的近親，非洲肺魚被認為是破解脊椎動物從水生到陸生演化的關鍵物種。

    9月13日，華大生命科學研究院在國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表非洲肺魚呼吸器官最新研究成果。研究基於華大智造自主研發的DNBelab C4單細胞建庫測序平台，構建了迄今最完整的非洲肺魚呼吸器官在夏眠和水生環境中的高解像度單細胞圖譜，為進一步探索脊椎動物演化之謎提供重要依據。該研究是繼2021年華大研究院參與構建全球首個非洲肺魚完整基因組後的又一代表性成果。

    為探索脊椎動物器官演化提供依據

    非洲肺魚的顯著特徵是具有多重呼吸系統，其在水環境和陸地環境均以肺為主要呼吸器官，鰓和皮膚輔助呼吸。其中，非洲肺魚的肺結構，具有現代脊椎動物肺的原始形態，也因此成為研究四足動物呼吸器官進化的關鍵物種。

    本次研究團隊基於華大智造單細胞建庫平台DNBelab C4，對來自非洲肺魚肺組織的53,605個細胞和來自非洲肺魚鰓組織87,347個細胞進行測序，構建了迄今最完整的非洲肺魚呼吸器官高解像度細胞全景圖。

    研究團隊結合此前發表的非洲肺魚基因組數據，通過對實驗室誘導夏眠33天的非洲肺魚和對照組取樣，在非洲肺魚肺和鰓中分別鑑定出14和22種細胞類型，首次以高解像度圖譜形式展現了非洲肺魚呼吸器官的細胞組成。

    「非洲肺魚的進化地位比較特殊，研究其呼吸系統能夠反映脊椎動物登陸過程中的狀態變化。」文章共同通訊作者、深圳華大生命科學研究院數碼化地球研究所主任科學家范廣益表示，「本次研究構建的單細胞圖譜全面描述了非洲肺魚呼吸器官的細胞類型組成，為後續探索脊椎動物呼吸系統的進化和適應提供了寶貴的資源。」

    揭示非洲肺魚陸化過程中的細胞和分子特徵

    脊椎動物從水到陸地的轉變是進化史上的一個裏程碑事件。作為一種古老的物種，非洲肺魚具備諸多進化過程中的過渡特徵，可視為魚類到兩棲類的中間形態。

    為進一步揭示早期脊椎動物由水到陸過程中器官、組織的變化，研究團隊基於本次構建的單細胞圖譜，對非洲肺魚夏眠組和對照組的肺和鰓組織展開深入比較。研究團隊從細胞組成、分子表達差異和細胞間互作層面進行差異分析，結果表明，短期夏眠不會造成細胞類型層面的增加或缺失，而一些關鍵的細胞，如肺泡上皮細胞和鰓增殖細胞，則在夏眠期間顯示出細胞代謝層面的顯著下調。

    此外，研究團隊利用已發表的關鍵脊椎動物呼吸器官單細胞數據，從細胞和基因表達調控層面進行物種間的比較分析。結果表明，儘管非洲肺魚的肺在結構上較為原始，但其基本的細胞組成和關鍵基因表達與高等哺乳動物具有較高的相似性，具備高等哺乳動物肺的基本功能。該研究結果進一步證實了非洲肺魚與典型脊椎動物呼吸器官的同源性。

    本研究成功構建了非洲肺魚呼吸器官細胞全景圖，揭示了非洲肺魚細胞類型的多樣性，以及在夏眠過程中的基因表達和細胞互作關係，並從細胞層面解析了魚鰾和非洲肺魚肺細胞類型之間的廣泛同源性。

    文章共同第一作者、青島華大研究院聯合培養學生張瑞華表示：「本次研究為陸地脊椎動物的演化，尤其是呼吸系統的演化提供了數據支撐。後續團隊將開展非洲肺魚呼吸系統相關的系列研究，希望為描述脊椎動物的演化過程提供更多關鍵證據。」

    深圳華大生命科學研究院數碼化地球研究所主任科學家范廣益研究員、南京師範大學教授Inge Seim為本文的共同通訊作者。青島華大研究院張瑞華、劉群、潘珊珊為本文共同第一作者。該項研究工作得到了國家自然科學基金面上項目（No.32170439）, 海南省科技重大專項（ZDKJ2019011）等項目的支持。（記者 林麗青）