海洋所揭示斑石鲷愈合齿发生发育模式及再生调控机制

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近日，International Journal of Biological Macromolecules在线报道了中国科学院海洋研究所在重要养殖鱼类斑石鲷喙状齿发生发育模式及其持续更替调控机制方面的最新研究成果。该研究揭示了斑石鲷的喙状愈合齿呈“嵌套”排布模式，确定了喙状齿的发生发育时序以及颌齿矿化的关键时间节点，并进一步揭示了喙状愈合齿发育的调控机制，为探索鱼类颌齿发育和适应性进化提供了新模式。该成果入选2023年度国际科学新发明研究奖（International Research Awards on New Science Inventions）。     

斑石鲷（Oplegnathus punctatus）是我国近年来新开发的重要海水养殖经济鱼种，具有典型的愈合型喙状齿表型，可摄食牡蛎、海胆等硬壳类食物。海洋所李军团队在国内率先突破了斑石鲷全人工繁育技术，建立了苗种规模化生产技术（100万尾/年）以及工厂化封闭循环水养殖与网箱养殖相耦合的陆海接力养殖模式，扩大了斑石鲷养殖规模。     

前期养殖观察发现，斑石鲷的颌齿与上、下颌骨愈合，形成坚固的鹦鹉喙状颌齿，牙齿间隙充满石灰质填充（图1）。这种独特的喙状齿如何排布和愈合？喙状齿的发生和发育模式是否与牙齿分离生长的鱼类相似？它的发生发育调控机制如何？是否会对斑石鲷摄食习性及消化系统功能产生影响？该研究旨在探讨斑石鲷喙状齿的形成机制，指导斑石鲷工厂化养殖精准投喂、合理开发诱食剂。     

科研人员综合采用形态解剖、扫描电镜及microCT 3D扫描成像等技术，多角度地系统研究了斑石鲷愈合型喙状齿的发生发育特征，发现了斑石鲷的愈合齿呈“嵌套”排布模式——颌齿齿式（4，15-16，10-1）；确定了喙状齿的早期发生发育关键时间节点（28dph初代齿萌发；40dph替换齿出现，颌齿开始愈合；45dph开始硬骨化；50dph喙状愈合齿完成）（图2）。进一步，研究基于基因组学和转录组学等多组学联合分析，获得了11个（bmp2、bmpr2、smad1、wnt5a、msx、axin2、fgfr1a、fgfr2、pitx2、ptch1、cyp27a1）与斑石鲷喙状齿的发育密切相关的关键基因及关键调控通路（Wnt、BMP、FGF、SHH），在斑石鲷颌齿愈合前、愈合中和愈合后协同调控颌齿上皮与间充质相互作用，促进成釉细胞及成牙本质细胞的持续增殖和分化（图3）。此外，研究发现，Vd代谢及钙积累密切相关的cyp27a1基因定位于斑石鲷上颌骨及颌齿基部，且在颌齿快速愈合期加速表达，促进维生素D代谢，进而调控斑石鲷颌齿牙胚内细胞分化以及牙釉质和牙本质矿化，为喙状齿的愈合和发育奠定钙质基础。该研究丰富了鱼类牙齿发生发育理论及调控机制研究，为剖析生物颌齿的适应性进化和再生能力提供了新见解。     

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、中国科学院海洋大科学研究中心重点部署项目（前沿交叉类）和现代农业产业技术体系国家海水鱼体系等的支持。     

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图1. 斑石鲷颌齿外形及摄食习性

图2. 基于micro-CT扫描的斑石鲷喙状愈合齿3D重建

图3. 斑石鲷愈合齿发生发育调控机制

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