在漫长的演化长河中，从古老的牡蛎到复杂的半滑舌鳎，水生动物们如何抵御病原体入侵？一套名为先天免疫的系统，构成了它们最基础也最关键的防御屏障。近日，一项由中国水产科学研究院黄海水产研究所与青岛华大基因研究院主导的研究，在《Molecular Biology and Evolution》上发表，首次从单细胞层面，系统描绘了跨越6个关键物种的循环免疫细胞图谱，揭示了吞噬与凝血这两大核心防御机制背后，惊人的保守性与精巧的分化策略。

跨越6亿年的“细胞地图”

这项研究并非聚焦单一物种，而是选取了演化树上的关键节点：从无脊椎动物的香港巨牡蛎、南美白对虾、玻璃海鞘，到无颌类的东北七鳃鳗，再到软骨鱼条纹斑竹鲨和硬骨鱼半滑舌鳎。研究团队构建了包含40余万个高质量单细胞的循环免疫细胞图谱，相当于绘制了一张跨越数亿年演化时空的“免疫细胞导航图”。


基于这张地图，科学家得以比较不同物种的免疫细胞在单细胞精度下的异同，回答一个演化生物学中的核心问题：那些看似相似的核心防御功能，究竟源自共享的古老基因程序，还是不同物种“殊途同归”的演化巧思？

吞噬：一套保守的“核心程序”

答案首先指向了吞噬功能。研究发现，牡蛎、对虾和海鞘等无脊椎动物中负责吞噬的细胞，与包括七鳃鳗、鲨鱼乃至更高等脊椎动物中的髓系免疫细胞，在转录组层面高度相似。这些细胞都富集与吞噬、囊泡运输和溶酶体相关的基因。


更关键的发现隐藏在调控层面。通过基因共表达网络分析和祖先状态重建，研究团队锁定了一个名为MiT/TFE的转录因子家族。这套调控网络，如同一个被反复调用的“核心程序”，在不同物种的吞噬细胞中高度保守存在，驱动着核心的吞噬功能。这解释了为何形态各异的生物，都能高效地完成“吞噬病原体”这一相同任务。

凝血：功能趋同，路径分化

与吞噬细胞的“保守”不同，负责凝血防御的效应细胞则展现了演化的另一面——功能趋同下的路径分化。


研究团队在无脊椎动物中精准鉴定出了参与血淋巴凝集的特殊细胞，并通过荧光原位杂交Stereo-cell芯片单细胞技术进行验证，确认这些细胞特异性地分布于血凝块中。它们执行的功能，类似于脊椎动物的血小板。


然而，当科学家深入探询其内部调控机制时，却发现了另一番景象。不同无脊椎动物的凝血效应细胞之间，缺乏统一的核心转录因子和共同差异基因集。这意味着，尽管最终都实现了“止血凝血”这一相似功能，但不同物种演化出了各自独特的“配方”——它们通过不同的分子路径，造出了功能近似的“零件”。

从基础研究到“数字种源”

这项研究不仅深化了对水生动物先天免疫系统演化规律的理解，为非模式生物的比较免疫学提供了新的分析范式，更有深远的产业意义。该研究是邵长伟研究员于2021年依托国家海洋渔业生物种质资源库和国家海洋水产种质资源库发起实施的“数字种源”计划的重要组成部分。该计划旨在建立水产种质资源理论框架与技术体系，推动水产种质资源数智化管理与应用。


揭示免疫等重要性状的形成与演化遗传机制，是构筑这一理论体系的基石。理解了抗病机制背后的深层逻辑，育种学家才能更有针对性地筛选和创制抗病能力更强的水产新种质，从源头提升养殖业的健康水平。


黄海所研究生李亚楠、刘响、杨琦和青岛华大基因研究院陈洪溪、刘群为论文共同第一作者。黄海所邵长伟研究员和青岛华大基因研究院范广益研究员为论文共同通讯作者。本研究获得国家重点研发计划项目、国家高层次人才特殊支持计划、山东省泰山学者特聘专家计划、国家自然科学基金、中国水产科学研究院创新团队等项目支持。