近日，中国科学院南海海洋研究所林强研究员团队联合德国康斯坦茨大学等机构在海龙科鱼类“雄性怀孕”的适应进化与分子调控机制取得突破性进展，相关研究成果以 “Cellular and molecular mechanisms of male pregnancy in seahorses” 为题发表于国际著名期刊Nature Ecology & Evolution。中国科学院南海海洋研究所副研究员刘雅莉和博士后姜韩等为本文的共同第一作者，南海海洋所研究员林强和康斯坦茨大学教授Axel Meyer等为共同通讯作者。
在生命起源与多样性演化历程中，繁育后代在传统上一直被定义为雌性个体的生命本职。然而，海龙科物种（Syngnathidae）却打破了这一生物演化的常规，成为脊椎动物中唯一具有“雄性怀孕”繁殖策略的类群；其雄性个体通过特有的育儿袋（brood pouch）器官为胚胎提供氧气和营养输送、免疫防护及渗透压调节等功能（Lin et al.,Nature,2016）（图1）。同时，研究团队前期研究表明海龙科育儿袋在结构与功能上与哺乳动物子宫表现出明显的趋同进化特征（Zhang et al.,National Science Review,2021;Liu et al.,Nature Communications,2022）；且海龙科物种的育儿袋在进化过程中出现了多种形式，如开放、半开放和封闭等模式（Qu et al.,Science Advances,2021）。然而，该类群作为自然界独一无二的“孕父”，其以何种方式在截然不同的生命演化谱系中“重现”了胎盘功能？而脊椎动物由“卵生”到“胎生”的自然选择规律如何？又是何种分子信号主导了这场独特的繁殖演化进程？这一系列疑问一直是长期以来学界关注的焦点问题。
图1 正在分娩的雄性海马（Hippocampus spp.）（拍摄者：张竞功）
为了深入探究海龙科物种育儿袋发生及其怀孕过程的遗传与细胞学调控机制，研究团队以海马和海龙为研究材料，通过整合单细胞RNA测序（scRNA-seq）、单细胞染色质可及性测序（scATAC-seq）及空间转录组等多组学手段，绘制了海马育儿袋7个发育时期的细胞学动态变化图谱，发现了一类具有干细胞潜能的“育儿袋上皮祖细胞（BEPCs）”。这些细胞在发育过程中与胶原蛋白基因协同表达，并受雄激素信号强烈调控。同步，该研究通过动态网络生物标志物分析及在体实验，证实雄激素处理的雌性海马可发育出雄性特有的育儿袋。据此，本研究首次提出了雄激素受体及其调控的育儿袋上皮祖细胞是激活育儿袋器官形成的关键开关（图2）。
图2 雄激素诱导海马育儿袋发生的细胞及遗传调控机制
研究进一步发现，为顺利实现“雄性怀孕”，海马育儿袋内皮层在妊娠初期会显著增厚，形成类似哺乳动物胎盘的“胎盘”结构，能够为胚胎输送氧气、营养物质并进行渗透压调节。本研究首次发现海马怀孕过程中出现了一类特殊的细胞群体—类滋养层细胞（trophoblast-like cells），其基因表达及功能特性与哺乳动物胎盘滋养层细胞高度相似，阐明其在细胞层面与胎生哺乳动物子宫的趋同演化。研究还发现海马特异进化出的 sp-chia 与 pastn 基因在类胎盘形成中起关键调控作用。此外，本研究首次提出海马存在一种全新的“非foxp3基因依赖性”的免疫耐受繁殖策略，揭示了“雄性怀孕”背后的独特免疫调控机制（图3）。
图3 海马育儿袋类滋养层细胞和新基因共同驱动胎盘的形成
本研究基于跨物种比较基因组学及单细胞多组学联合分析，系统揭示了海龙科多物种的育儿袋演化轨迹，明确了海马育儿袋与哺乳动物子宫在遗传与细胞层面的同源性。研究发现，其演化起点可能源于一类特化的表皮细胞，该类细胞使粘性卵得以附着于雄性特化皮肤表面并完成受精，并通过进一步招募一类功能同源的细胞群（表达如MHCIIs、mgat3及nucb2等直系同源基因），协同演化出海龙科物种特异的新基因（如pastns与syn-lectins），最终共同驱动了育儿袋结构复杂化和功能多样性（图4）。
图4 跨物种比较揭示“雄性怀孕”的遗传与细胞学进化规律
综上，本研究聚焦动物界中从卵生到胎生这一关键繁殖策略的演变过程与规律，从基因组学、遗传学及细胞生物学层面系统揭示了自然界中“雄性怀孕”独特性状形成过程中的演化规律和分子调控机制。相关结果提出了脊椎动物繁殖演化规律的新认知，为深度解析海洋生命多样化繁殖策略提供了新的理论框架。
上述研究工作由国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目共同资助完成。中国科学院生物化学与细胞生物学研究所陈洛南研究员团队、南方医科大学毕恩广教授团队、中国科学院昆明动物研究所吕雪梅研究员团队参与本研究工作。
相关论文信息：Liu YL#,Jiang H#,Miao YX#,Zhao WL#,Schneider R,Yin LD,Yu XY,Yu HY,Lu XM,Bi EG,Chen LN*,Meyer A*,Lin Q*. Cellular and molecular mechanisms of seahorse male pregnancy. Nature Ecology & Evolution (2025). https://doi.org/10.1038/s41559-025-02883-5
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41559-025-02883-5
附件下载：