生物进入并适应不同的生态环境标志着生命演化的重大转变。不同类别的生物分别过渡适应到相同的生态环境为研究生物对生态环境的适应及趋同演化机制的提供了机会。海洋哺乳动物是适应水生环境的特殊哺乳动物，其依赖海洋资源生存或完全生活在海洋中（少数生活在淡水环境），包括海牛类、鲸类和食肉目中的鳍足类等几个主要支系。这些动物分别独立由陆地重返海洋，是“二次入水”的哺乳动物类群。长期以来，海洋哺乳动物不同支系分别由陆地重返海洋的演化历程和水环境适应及其趋同演化机制广受关注。
　　9月10日，中国科学院深海科学与工程研究所联合西北工业大学等，在《美国科学院院刊》（PNAS）上发表了以Comparative genomics provides insights into the aquatic adaptations of mammals为题的研究论文，揭示出海洋哺乳动物适应海洋环境及其趋同演化的重要遗传机制。
　　该研究从科级水平出发对17个海洋哺乳动物物种进行了全基因组测序及组装，结合已发表的海洋哺乳动物基因组数据，进行了科级水平较为全面的比较基因组学分析。研究重建了基于全基因组数据有史以来的最全面海洋哺乳动物系统发生树（图1），并进一步从基因组演化、基因演化、非编码保守元件（conserved non-coding element）等多方面对海洋哺乳动物三个主要支系（鲸类、鳍足类、海牛类）从陆地重返海洋的分子适应机制进行分析和探究。
　　哺乳动物由陆地重返海洋后面临的挑战之一是海水的高导热性。海水的高导热性使得哺乳动物身体的热量更易向水中散失。海洋哺乳动物在水中保持恒温的遗传基础尚不清楚。该研究发现，不同海洋哺乳动物支系都存在从产热和散热两方面的改变来进行体温调节以适应水生环境：通过NFIA和UCP1来调控棕色脂肪细胞的合成和利用从而控制产热的变化，并通过SMEA3E基因的改变使得海洋哺乳动物的血管系统发生适应性改变以调节热量的散失，双重调控最终实现维持体温恒定（图2）。为适应水生环境，海洋哺乳动物骨骼形态也发生了不同程度的改变：前肢变成鳍状肢，身体呈流线型或者纺锤形。该研究发现与骨骼发育密切相关的蛋白聚糖的生物合成途径中，XYLT1和FMA20B两个关键基因在海洋哺乳动物中发生了特异性改变（图3），极有可能影响海洋哺乳动物骨骼形态的变化。此外，研究还发现了与低氧耐受、回声定位、深潜及视力相关基因在海洋哺乳动物中发生了分子层面的适应性演化。  
　　基于基因组测序，研究建立了全面的海洋哺乳动物基因组数据集，并为海洋哺乳动物的水生适应相关性状及不同海洋哺乳动物支系间趋同演化提供了遗传学证据，为后续深入开展海洋哺乳动物水生环境适应机制等研究提供了数据支持。
　　论文链接
　　图1.海洋哺乳动物的系统发生和种群变化。（A）35种海洋哺乳动物和16种陆生哺乳动物的系统发生树（B）不同类别海洋哺乳动物谱系的种群历史动态 
　　图2.海洋哺乳动物体温调节示意图。NFIA的上调或下调影响间质前体的细胞命运，UCP1基因的完整性影响棕色脂肪细胞正常功能，海洋哺乳动物发达的血管系统有助于热传递以维持体温恒定 
　　 
　　图3.水生适应相关的基因变化。（A）蛋白聚糖的生物合成途径关键基因变化（B）深潜相关正选择、快速演化及重要突变基因