硬骨鱼纲分为肉鳍鱼和辐鳍鱼两大类别，它们的演化路径迥然不同。在脊椎动物漫长的演化历程中，肉鳍鱼类扮演着至关重要的角色，四足类脊椎动物便是源自这一独特类群的进一步演化。辐鳍鱼类（Actinopterygii）是脊椎动物中物种最丰富的群体，包含超过32,000种现存物种。尾鳍的形态变化是辐鳍鱼类演化中的一个重要创新，尤其是从不对称的歪尾型（heterocercal）转变为对称的正尾型（homocercal）。

早期的辐鳍鱼类祖先，其体内骨骼多为软骨构成，体表覆盖着菱形且厚重的鳞片，因此曾被统称为软骨硬鳞类鱼（Chondrostei），如广为人知的鲟形鱼类，它们的尾鳍呈现出上下叶不对称的歪尾型。到了中生代，全骨鱼类（Holostei）成为了辐鳍鱼类中的佼佼者，例如雀鳝和弓鳍鱼，它们的尾鳍多为半歪型。与软骨硬鳞鱼类和全骨鱼类相比，真骨鱼类（Teleostei）的重要特征是尾鳍上下叶对称，为正尾型。而且，现代硬骨鱼在个体发育过程中最初呈现歪尾形态，随后转变为成体的正尾形态（图1）。

图1 辐鳍鱼类的歪尾型和正尾型骨骼特征，斑马鱼的尾部骨骼解剖，及发育过程。引自Cumplido et al. (2024)。

2024年，由智利学者Nicolas Cumplido和美国学者Gloria Arratia等人撰写的题为“Hox gene control homocercal caudal fin development and evolution”的论文，发表于Science Advance期刊，探讨了Hox基因在鱼类尾鳍发育中的作用，特别是歪尾和正尾之间的转变。

研究者们重点关注了Hox13基因在尾鳍形成中的作用，因为这些基因在动物中控制体轴后端的发育。通过对斑马鱼Hox13基因的表达谱分析和CRISPR/Cas9介导的基因敲除研究，发现hoxb13a和hoxc13a双突变体无法形成尾鳍；单突变体表现出类似歪尾的形态，这种形态在中生代的化石硬骨鱼中也曾出现。研究表明，硬骨鱼基因组复制后功能约束的放松可能使得Hox13的重复基因能够进行新功能或亚功能化，最终促进了硬骨鱼向着正尾型的进化。

在研究结果中，作者首先确定了斑马鱼6个Hox13基因在受精后四天内的表达模式，发现hoxb13a和hoxc13a在尾部的强烈表达，表明它们可能参与尾鳍的模式形成。接着，研究者们利用CRISPR/Cas9技术构建了hoxb13a和hoxc13a的功能缺失突变体，观察到这些突变体在尾鳍形态上与其杂合子和野生型有显著差异（图2）。具体而言，hoxb13a突变体的上叶较短，导致尾鳍不对称，而hoxc13a突变体的尾鳍则对称但较短且狭窄。研究还发现，hoxc13a突变体的尾鳍鳍条数量显著减少，而hoxb13a突变体的鳍条数量保持不变，但上叶的主鳍条数量减少。

图2 斑马鱼b13a和c13a突变体的尾鳍表型。引自Cumplido et al. (2024)。

随后，研究者发现斑马鱼hoxc13a突变体和hoxb13a单突变体表现出与原始硬骨鱼类的歪尾形态相似的骨骼特征，如尾神经骨（uroneurals）缺失、前尾椎（preural）和尾椎（ural）数量增多、尾鳍鳍条数量减少以及尾下骨间隙（hypural diastema）闭合。为了对突变体表型与祖先尾鳍形态进行关键比较，研究者通过祖先性状重构尾鳍特征性状映射至硬骨鱼类的系统发育树，并根据可追溯到化石记录，确定了在现代硬骨鱼建立稳定正尾形态的演化过程中，有7个逐渐获得的性状。这7个性状如下：具6个以上的前尾椎（特征1 [0]）；具有超过3个尾椎的多尾骨骼（特征2 [0]）；尾椎具髓弓而不是尾神经骨（特征3 [0]）；第三前尾椎的脉弓为自生型（特征4 [0]）；第一前尾椎的髓棘与其他髓棘等长（特征5 [0]）；主鳍条少于19根（特征6 [0]）；以及尾下骨间隙闭合（特征7 [0]）。由此可知，hoxb13a突变体逆转到祖先形态的性状2到5，并部分逆转了性状1、6和7。而hoxc13a突变体逆转了性状6和7，并部分逆转性状3。

图3 斑马鱼b13a-/-和c13a-/-突变体中逆转的主要形态特征（编号从1到7）。引自Cumplido et al.(2024)。

这项研究为理解脊椎动物尾鳍从歪尾到正尾的转变提供了强有力的发育遗传学解释。Hoxb13a和Hoxc13a这两个基因的调控与硬骨鱼尾鳍的形态多样性密切相关。经过两次全基因组复制后，这些基因的起源可能释放了遗传约束，使得形态转变得以发生。这些转变可能为硬骨鱼在中生代的辐射提供了运动上的优势，进而使其在现存鱼类中占据主导地位。

这项研究的创新之处在于将突变体的表型与原始硬骨鱼类的异尾型联系起来。这篇文章是两个实验室合作的成果，追根溯源，不难发现这两个实验室一直关注从歪尾型到正尾型这一辐鳍鱼类演化的经典课题。早在2020年，Nicolas Complido、Miguel L. Allende和Gloria Arratia就发表文章探讨了斑马鱼尾椎骨的发育过程，认为多枚早期尾椎骨的愈合是正尾型出现的重要环节(Cumplido et al., 2020)。实际上，Gloria Arratia对鱼类尾端骨骼的演化早在很久以前就进行了研究，这与她在古生物学领域的工作密切相关，因为尾椎骨骼及相关特化是鉴别化石鱼类物种和判断其阶元归属的重要特征。例如，在1991年，她发表了题为《The caudal skeleton of Jurassic teleosts: A phylogenetic analysis》的文章，分析了24个化石和现生种属的尾部形态特征，构建了包含36个物种、67个性状的性状矩阵(Arratia, 1991)，这个矩阵为2024年这篇文章中的祖先性状重建提供了重要参考。斑马鱼领域知名学者John Postlethwait实验室则在2018年发表了以spotted gar为代表的歪尾型骨骼发育过程，重点研究了尾下骨间隙的演化及其在尾鳍对称性建立中的潜在作用(Desvignes et al., 2018)，而尾下骨间隙闭合是确定hoxc13a突变体和原始硬骨鱼类的歪尾形态相似的重要线索。

值得注意的是，以上研究均源自著名鱼类学家Orvar Nybelin在19世纪六七十年代发表的一系列辐鳍鱼类尾部特征的比较解剖学研究。Orvar Nybelin提供了分析尾部形态特征的重要范式，他首次提出将尾部区域划分为三个主要部分：中尾部（midcaudal）、前尾部（preural）和后尾部（ural）。其中，前尾部和后尾部的界限由尾部血管由背侧转向腹侧的U型转弯（DV U-turn）定义(Nybelin, 1963) 。通过这种方式，可以清晰地识别尾椎（ural vertebrae）和前尾椎（preural vertebrae）的界限及相关发育区域，为跨阶元的尾鳍发育的比较分析提供了一个共同的参考系统。2024年于Science Advance发表的这篇文章，则应用颜色编码展示了这种划分方式：绿色代表中尾部，紫色代表前尾部，橙色代表后尾部，因此，在从歪尾到正尾的演化过程中，各部分的骨骼增多和愈合情况一目了然，性状的同源性也十分清晰。