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內(nèi)容摘要：現(xiàn)生鳥類飛行進(jìn)化歷史神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所動(dòng)物生態(tài)與保護(hù)生物學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）：具備飛行能力是鳥類與眾不同的生物學(xué)特征之一，因此鳥類的飛行進(jìn)化成為了人們最關(guān)注的基本科學(xué)問題之

現(xiàn)生鳥類飛行進(jìn)化歷史
（神秘的新研行地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所（動(dòng)物生態(tài)與保護(hù)生物學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）：具備飛行能力是鳥類與眾不同的生物學(xué)特征之一，因此鳥類的究揭機(jī)制飛行進(jìn)化成為了人們最關(guān)注的基本科學(xué)問題之一。近幾十年來，示現(xiàn)生鳥飛行進(jìn)化研究主要集中于已滅絕的類飛力古代鳥類或恐龍，有關(guān)現(xiàn)生鳥類飛行進(jìn)化的退化研究鮮有報(bào)道。盡管飛行賦予了鳥類極大的新研行生存優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)生鳥類中卻有百余種（如鴕鳥、究揭機(jī)制雞等）的示現(xiàn)生鳥飛行能力發(fā)生退化，變得無法飛行或飛行能力降低。類飛力 
前人研究發(fā)現(xiàn)，退化形態(tài)結(jié)構(gòu)變化（如翅膀變短）和能量節(jié)約策略與現(xiàn)生鳥類飛行能力退化有相關(guān)性，新研行但仍有兩個(gè)關(guān)鍵性問題亟待回答，究揭機(jī)制即這種飛行能力的示現(xiàn)生鳥轉(zhuǎn)變是否具有共同的遺傳基礎(chǔ)，以及它是類飛力如何演變的？ 
中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所詹祥江實(shí)驗(yàn)室通過比較分析8種飛行退化鳥種和40種飛行鳥種的基因組序列，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)在飛行退化鳥種中發(fā)生趨同進(jìn)化的退化位點(diǎn)。這兩個(gè)位點(diǎn)分別落在兩個(gè)脂質(zhì)代謝關(guān)鍵酶的核心結(jié)構(gòu)域（ATGL, Adipose triglyceride lipase; ACOT7, Acyl-CoA Thioesterase 7），引起兩個(gè)非同義突變（ATGLSer321Gly和ACOT7Ala197Val）。ATGL通過水解甘油三酯促進(jìn)脂肪用于能量代謝，而ACOT7通過水解脂酰輔酶A（Acyl-CoA）抑制脂肪用于能量代謝。功能實(shí)驗(yàn)表明，Ser321Gly顯著降低了ATGL對(duì)甘油三酯的水解能力，而Ala197Val顯著增強(qiáng)了ACOT7對(duì)Acyl-CoA的水解活性，從而抑制脂肪來源的能量代謝。通過數(shù)學(xué)模型的模擬預(yù)測(cè)這兩個(gè)基因功能的協(xié)同變化將使得飛行退化鳥種的主要能量來源由脂肪轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔铮A(yù)測(cè)結(jié)果得到代謝組檢測(cè)結(jié)果的支持。研究發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)趨同基因在飛行退化鳥類中受到正選擇，進(jìn)而推測(cè)，由于碳水化合物比脂肪產(chǎn)生能量快，這種依賴于碳水化合物的能量產(chǎn)生方式更適合飛行退化鳥類的運(yùn)動(dòng)方式，比如短時(shí)奔跑或短時(shí)爆發(fā)性飛行。 
此外，通過對(duì)這兩個(gè)趨同位點(diǎn)進(jìn)行的祖先位點(diǎn)重建，發(fā)現(xiàn)生活在距今約1億年前的今鳥亞綱的祖先能夠進(jìn)行非持續(xù)的飛行（Non-sustained flier），這種飛行能力一直延續(xù)至今顎總目的祖先。但是在距今約6800萬年前，新鳥下綱（Neoaves）鳥類的飛行能力大大增強(qiáng)，這種變化可能使它們能夠更好地利用白堊紀(jì)-古近紀(jì)大規(guī)模滅絕之后產(chǎn)生的新的生態(tài)位，導(dǎo)致其種群快速擴(kuò)散，從而在現(xiàn)代鳥類中占主導(dǎo)地位。 
該項(xiàng)研究回答了為什么百余種現(xiàn)生鳥類飛行能力發(fā)生退化的科學(xué)難題，表明了飛行能力退化是生理趨同的結(jié)果，改變了“鳥類飛行能力退化主要是形態(tài)結(jié)構(gòu)變異特別是翅長(zhǎng)變短所導(dǎo)致的”這一流行觀點(diǎn)。該項(xiàng)工作是中國(guó)學(xué)者在組學(xué)水平上對(duì)鳥類宏觀進(jìn)化問題的一次全新思考。該項(xiàng)研究成果于2019年6月21日以“Convergent genomic signatures of flight loss in birds suggest a switch of main fuel”為題在線發(fā)表于Nature Communications上（https://doi.org/10.1038/s41467-019-10682-3）。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所助理研究員潘勝凱、博士研究生林依、北京師范大學(xué)碩士研究生劉瓊以及北京生命科學(xué)研究所博士研究生段金志為文章共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所詹祥江研究員為論文的通訊作者。北京師范大學(xué)張正旺教授、北京生命科學(xué)研究所張昱研究員、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所稅光厚研究員、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所鄒振研究員在樣品采集、代謝組分析和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方面提供了大力支持。 
該項(xiàng)研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、“中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物進(jìn)化與遺傳前沿交叉卓越創(chuàng)新中心”等項(xiàng)目和計(jì)劃的資助。
相關(guān)報(bào)道：鳥類高海拔適應(yīng)性進(jìn)化研究獲重要進(jìn)展
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所（動(dòng)物進(jìn)化與系統(tǒng)學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）：高海拔環(huán)境的選擇壓力會(huì)驅(qū)動(dòng)生物體表型和遺傳的適應(yīng)。研究組早期的研究表明不同高海拔物種在形態(tài)、生理、生化等表型特征出現(xiàn)趨同(Zhu et al. 2018. PNAS)，而這種趨同表型的遺傳適應(yīng)機(jī)制是多樣的，可能受到系統(tǒng)發(fā)育背景的嚴(yán)重影響。同時(shí)，由于野生鳥類采樣困難且轉(zhuǎn)錄組測(cè)序樣品質(zhì)量要求較高，早期高海拔適應(yīng)遺傳機(jī)制的研究多集中在基因序列水平，而以多物種多組織轉(zhuǎn)錄調(diào)控水平的研究幾乎空白(Hao et al. 2019. Current Genomics)。
研究組在同一個(gè)系統(tǒng)發(fā)育背景下，選擇3種來自青藏高原的高海拔雀形目鳥類[褐冠山雀(Lophophanes dichrous)、黑冠山雀(Periparus rubidiventris)、棕額長(zhǎng)尾山雀(Aegithalos iouschistos)]和其各自近緣的低海拔物種[沼澤山雀(Poecile palustris)、黃腹山雀(Pardaliparus venustulus)、紅頭長(zhǎng)尾山雀(A. concinnus)]進(jìn)行了比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。該研究應(yīng)用第二代高通量測(cè)序技術(shù)完成了3對(duì)高、低海拔物種28個(gè)個(gè)體5個(gè)組織(心臟、肌肉、肝臟、肺臟、腎臟)共128個(gè)樣品的深度轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，并比較了高、低海拔物種之間在序列水平和表達(dá)水平的差異，從而揭示鳥類如何響應(yīng)高海拔的環(huán)境壓力。序列比較分析發(fā)現(xiàn)：3種高海拔物種在正選擇基因上表現(xiàn)出高度相似性(218個(gè)共享的正選擇基因 )，而氨基酸替代上的相似性極低(3種高海拔物種只有4個(gè)基因中包含相同的氨基酸替代位點(diǎn))，暗示了高海拔適應(yīng)性趨同主要表現(xiàn)在正選擇基因水平而非氨基酸替代水平。基因表達(dá)比較分析發(fā)現(xiàn)：整個(gè)基因集的表達(dá)譜呈現(xiàn)出組織特異的表達(dá)模式(所有物種樣品按照組織聚類)；而差異表達(dá)基因集和海拔相關(guān)的基因集的表達(dá)譜則呈現(xiàn)出海拔相關(guān)的聚類模式，暗示了高海拔環(huán)境可能驅(qū)動(dòng)了高海拔物種相似的表達(dá)改變。此外，還發(fā)現(xiàn)3種高海拔物種篩選到的正選擇基因與差異表達(dá)基因存在非常低的共享率(2.3%，218個(gè)正選擇基因中5個(gè)基因差異表達(dá))，而基因表達(dá)、基因連通性及二者和海拔的交互作用與基因的進(jìn)化速率顯著相關(guān)。這些結(jié)果揭示了3種高海拔鳥類可能以序列和表達(dá)水平協(xié)同改變的方式實(shí)現(xiàn)其適應(yīng)性進(jìn)化。
不同于其他類群高海拔適應(yīng)的研究，該研究首次對(duì)野生鳥類開展了多物種、多組織、多尺度的比較分析，拓展了人們對(duì)物種如何響應(yīng)高海拔環(huán)境的理解。該項(xiàng)工作以“Comparative transcriptomics of 3 high-altitude passerine birds and their low-altitude relatives”為題于2019年5月24日在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》(Proceeding of the National Academy of Science USA，doi:10.1073/pnas.1819657116 )。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所雷富民研究員和屈延華研究員為論文的聯(lián)合通訊作者；中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所博士研究生郝艷為論文的第一作者。該項(xiàng)研究得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目(XDB13020300)以及國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、面上項(xiàng)目(31672275、31630069和31572249)的資助。