红头山雀 中国科学家揭示高原鸟类适应性机制，探寻高原小鸟的秘密武器

红头山雀 中国科学家揭示高原鸟类适应性机制，探寻高原小鸟的秘密武器

为什么小山雀栖息在青藏高原？

中国科学家揭示高原鸟类的适应机制

■本报记者 李晨阳 实习生 刘汝南

长尾雀科的鸟类都是可爱的小生物，身体精致。作为密切相关的物种，棕额长尾山雀和红头长尾山雀除了身体颜色不同外，外观非常相似。然而，两种小鸟的栖息地却截然不同：棕额长尾山雀生活在海拔2000米至3000米之间的高海拔地区，可以在青藏高原的特殊环境中自由出入；棕额长尾山雀生活在海拔2000米至3000米之间的高海拔地区，可以在青藏高原的特殊环境中自由出入；红头长尾山雀喜欢低海拔地区的森林和灌木丛。

相似的外表下，到底有什么不同呢？

近日，中国科学院动物研究所研究员雷福民、曲艳华研究团队揭示了三种高原鸟类适应高海拔环境的遗传机制。相关成果发表在《美国国家科学院院刊》上。

探索高原鸟类的“秘密武器”

青藏高原是中国最大、世界上最高的高原，平均海拔4500米。高海拔地区的特点是缺氧、气温低、紫外线强。生活在这里的哺乳动物和鸟类的耐寒能力、抗缺氧能力、代谢能力等都会增强，体重也会增加。

雷福民课题组去年在《美国国家科学院院刊》上发表了一项研究。通过比较血红蛋白的功能表型和分子结构，证明青藏高原高海拔鸟类血红蛋白的氧亲和力高于其低海拔近缘种。种类有所增加。大多数这些功能变化是由不同的氨基酸取代引起的。

“过去对高原生物适应性的研究大多集中在表型上，比如体型大小、结构形态、代谢率等。”论文第一作者、中国科学院动物研究所博士生郝岩告诉中国科学报：“这次我们希望揭示这些适应性特征在趋同进化背后的遗传机制。分子水平。”

他们从青藏高原高海拔地区挑选了三种雀形目鸟类——棕冠山雀、黑冠山雀和棕额长尾山雀。他们还确定这三个物种彼此之间具有相同的遗传距离（控制不同的进化时间）。对密切相关的低海拔物种——沼泽山雀、黄腹山雀和红头长尾山雀的遗传适应的影响。

研究人员对这6种鸟类的心脏、肌肉、肝脏、肺脏、肾脏等5个组织进行了深度转录组测序，比较了高海拔物种和低海拔物种在序列水平和表达水平上的差异。

共享200多个“宝”基因

通过比较和分析这些鸟类共有的7000多个基因，研究人员发现，三种高海拔鸟类实际上共有多达218个所谓的“正选择基因”——这些基因使鸟类能够在高海拔地区繁衍生息。提高在特殊情况下生存或繁殖能力的基因。

研究人员推测，除了遗传变异之外，一些特定氨基酸的取代也可能有助于鸟类适应高原生活。但他们后来发现，这三个高海拔物种中只有四个基因含有相同的氨基酸取代位点。

“我们的研究结果表明，这些鸟类的高海拔适应趋同性主要表现在正选择基因水平上，而不是氨基酸替代水平上。”郝燕说。

通常，基因在不同物种的多个组织中具有组织特异性表达和物种特异性表达两种模式。组织特异性表达模式是指不同物种的同一组织中的基因表达，应该比同一物种内的不同组织更相似。物种特异性表达模式是指同一物种内不同组织中的基因表达，其应该比物种间相同组织中的基因表达更相似。

研究人员对所有组织中的基因表达模式进行了聚类分析。这些来自不同鸟类相同组织的数据聚集在一起，以表明一般组织特异性表达模式。也就是说，不同物种鸟类的同一组织中的基因表达存在很强的相似性，这表明组织分化可能先于物种分化。

差异表达基因集和海拔相关基因集的表达谱显示出与海拔相关的聚类模式，表明高海拔环境可能驱动高海拔物种的类似表达变化。

帮助了解物种如何应对高海拔环境

这些结果表明，这三种高海拔鸟类可能通过序列和表达水平的协调变化实现了对环境的适应性进化。

论文通讯作者之一曲艳华告诉中国科学报：“与其他类群高海拔适应的研究不同，我们的研究首次进行了多物种、多组织、多尺度的研究。对具有不同生物学关系的野生鸟类进行比较分析，扩大了我们对物种如何应对高海拔环境的理解。”

“与性状进化的普遍趋同性相比，遗传适应性进化更多地受到系统发育关系的影响，即遗传背景的相似程度。这种现象不仅适用于鸟类，在动物群体中也是普遍规律。 ”她解释道。

相关论文信息：

DOI：10.1073/pnas。