脊椎动物由水到陆的演化具有里程碑式的意义，在这个演化的过程中，脊椎动物面临的最重要的挑战之一就是呼吸介质从水到空气的转变。两栖动物是最早适应陆地环境的四足动物，对绝大多数两栖动物来说，它们的肺在空气呼吸中起着不可或缺的作用。研究两栖动物在登陆过程中肺的功能化过程，是揭示脊椎动物空气呼吸方式演化的重要工作。虽然两栖动物肺的形态和生理功能已经有了广泛的研究，但变态发育过程中肺微观结构的变化和分子机制仍有待阐明。除了血气屏障的结构外，肌肉组织和免疫系统的发育水平也明显影响气体交换的效率。 

 为了探讨以上科学问题，中国科学院成都生物研究所江建平研究员团队科研人员以饰纹姬蛙为研究对象，综合转录组测序和透射电镜技术系统地观测研究了变态发育过程中肺的微观结构变化，功能蛋白的转录变化以及潜在的分子调控机制。 

　　图1 不同发育时期肺的形态结构 

　　结果（图1，2）表明：（1）在变态前期，饰纹姬蛙肺的体积快速增长，同时底物代谢和蛋白质转换相关的基因上调转录。这可能为肺的快速生长提供了物质和能量基础。（2）在变态高峰期，肺泡囊胶原纤维增加，结缔组织致密，肺泡上皮细胞纤毛密度和长度都增加；这一时期肺的特征基因主要是细胞外基质、纤毛发生以及有丝分裂相关的基因，表明在变态高峰期，细胞外基质重构可能促进了细胞的增殖与分化，进而加速了肺的形态建成。（3）在变态后期，肺的肌纤维增加；同时，肌肉收缩以及能量代谢相关的基因显著上调转录，从而增强肺气体交换的效率，实现肺的功能建成。（4）在成体时期，肺形成了成熟的血气屏障结构，而这一时期的特征基因主要是组织分化调控、肺循环以及免疫相关的基因，提示成体时期的肺得以进一步发育，肺循环能力和免疫能力同步增强，肺功能的完善与此时更强的陆地适应能力相一致。 

　　图2 不同时期肺差异表达基因的加权基因共表达网络分析及功能富集分析 

　　从关键功能分子转录模式来看，在变态高峰期，成体型血红蛋白逐渐代替了幼体型血红蛋白，而且不同类型肺表面活性蛋白的转录模式也在这一时期发生转变（图3）。这些功能分子表达模式的转变可能是肺呼吸功能趋于成熟的重要表征和物质基础。 

　　图3 肺表面活性蛋白和血红蛋白的转录变化模式 

　　这项研究工作以“From Water to Land: The Structural Construction and Molecular Switches in Lungs during Metamorphosis of Microhyla fissipes”为题发表于国际期刊“Biology”。该研究揭示了变态发育过程中两栖动物肺结构和功能建成的关键步骤，为脊椎动物空气呼吸方式的演化提供了线索。中国科学院成都生物研究所博士研究生常利明为文章的第一作者，中国科学院成都生物研究所江建平研究员和朱未助理研究员为共同通讯作者。该研究得到第二次青藏高原科学考察项目（2019QZKK05010503）、中国科学院重点部署项目（KJZG-EW-L13）、国家自然科学基金（31900327, 31471964）、四川省科技基础条件平台建设等项目的资助（2019JDPT0020）。

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