新研究揭示現生鳥類飛行能力的退化機制

2025-12-08 21:03:43 分類：時尚 閱讀(2151)

現生鳥類飛行進化歷史
（神秘的新研行地球uux.cn報道）據中國科學院動物研究所（動物生態與保護生物學院重點實驗室）：具備飛行能力是鳥類與眾不同的生物學特征之一，因此鳥類的究揭機制飛行進化成為了人們最關注的基本科學問題之一。近幾十年來，示現生鳥飛行進化研究主要集中于已滅絕的類飛力古代鳥類或恐龍，有關現生鳥類飛行進化的退化研究鮮有報道。盡管飛行賦予了鳥類極大的新研行生存優勢，但現生鳥類中卻有百余種（如鴕鳥、究揭機制雞等）的示現生鳥飛行能力發生退化，變得無法飛行或飛行能力降低。類飛力 
前人研究發現，退化形態結構變化（如翅膀變短）和能量節約策略與現生鳥類飛行能力退化有相關性，新研行但仍有兩個關鍵性問題亟待回答，究揭機制即這種飛行能力的示現生鳥轉變是否具有共同的遺傳基礎，以及它是類飛力如何演變的？ 
中國科學院動物研究所詹祥江實驗室通過比較分析8種飛行退化鳥種和40種飛行鳥種的基因組序列，發現兩個在飛行退化鳥種中發生趨同進化的退化位點。這兩個位點分別落在兩個脂質代謝關鍵酶的核心結構域（ATGL, Adipose triglyceride lipase; ACOT7, Acyl-CoA Thioesterase 7），引起兩個非同義突變（ATGLSer321Gly和ACOT7Ala197Val）。ATGL通過水解甘油三酯促進脂肪用于能量代謝，而ACOT7通過水解脂酰輔酶A（Acyl-CoA）抑制脂肪用于能量代謝。功能實驗表明，Ser321Gly顯著降低了ATGL對甘油三酯的水解能力，而Ala197Val顯著增強了ACOT7對Acyl-CoA的水解活性，從而抑制脂肪來源的能量代謝。通過數學模型的模擬預測這兩個基因功能的協同變化將使得飛行退化鳥種的主要能量來源由脂肪轉變為碳水化合物，預測結果得到代謝組檢測結果的支持。研究發現這兩個趨同基因在飛行退化鳥類中受到正選擇，進而推測，由于碳水化合物比脂肪產生能量快，這種依賴于碳水化合物的能量產生方式更適合飛行退化鳥類的運動方式，比如短時奔跑或短時爆發性飛行。 
此外，通過對這兩個趨同位點進行的祖先位點重建，發現生活在距今約1億年前的今鳥亞綱的祖先能夠進行非持續的飛行（Non-sustained flier），這種飛行能力一直延續至今顎總目的祖先。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，這種變化可能使它們能夠更好地利用白堊紀-古近紀大規模滅絕之后產生的新的生態位，導致其種群快速擴散，從而在現代鳥類中占主導地位。 
該項研究回答了為什么百余種現生鳥類飛行能力發生退化的科學難題，表明了飛行能力退化是生理趨同的結果，改變了“鳥類飛行能力退化主要是形態結構變異特別是翅長變短所導致的”這一流行觀點。該項工作是中國學者在組學水平上對鳥類宏觀進化問題的一次全新思考。該項研究成果于2019年6月21日以“Convergent genomic signatures of flight loss in birds suggest a switch of main fuel”為題在線發表于Nature Communications上（https://doi.org/10.1038/s41467-019-10682-3）。中國科學院動物研究所助理研究員潘勝凱、博士研究生林依、北京師范大學碩士研究生劉瓊以及北京生命科學研究所博士研究生段金志為文章共同第一作者，中國科學院動物研究所詹祥江研究員為論文的通訊作者。北京師范大學張正旺教授、北京生命科學研究所張昱研究員、中國科學院遺傳與發育研究所稅光厚研究員、中國科學院動物研究所鄒振研究員在樣品采集、代謝組分析和細胞生物學實驗方面提供了大力支持。 
該項研究工作得到中國科學院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、“中國科學院動物進化與遺傳前沿交叉卓越創新中心”等項目和計劃的資助。
相關報道：鳥類高海拔適應性進化研究獲重要進展
（神秘的地球uux.cn報道）據中國科學院動物研究所（動物進化與系統學院重點實驗室）：高海拔環境的選擇壓力會驅動生物體表型和遺傳的適應。研究組早期的研究表明不同高海拔物種在形態、生理、生化等表型特征出現趨同(Zhu et al. 2018. PNAS)，而這種趨同表型的遺傳適應機制是多樣的，可能受到系統發育背景的嚴重影響。同時，由于野生鳥類采樣困難且轉錄組測序樣品質量要求較高，早期高海拔適應遺傳機制的研究多集中在基因序列水平，而以多物種多組織轉錄調控水平的研究幾乎空白(Hao et al. 2019. Current Genomics)。
研究組在同一個系統發育背景下，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)、紅頭長尾山雀(A. concinnus)]進行了比較轉錄組學分析。該研究應用第二代高通量測序技術完成了3對高、低海拔物種28個個體5個組織(心臟、肌肉、肝臟、肺臟、腎臟)共128個樣品的深度轉錄組測序，并比較了高、低海拔物種之間在序列水平和表達水平的差異，從而揭示鳥類如何響應高海拔的環境壓力。序列比較分析發現：3種高海拔物種在正選擇基因上表現出高度相似性(218個共享的正選擇基因 )，而氨基酸替代上的相似性極低(3種高海拔物種只有4個基因中包含相同的氨基酸替代位點)，暗示了高海拔適應性趨同主要表現在正選擇基因水平而非氨基酸替代水平。基因表達比較分析發現：整個基因集的表達譜呈現出組織特異的表達模式(所有物種樣品按照組織聚類)；而差異表達基因集和海拔相關的基因集的表達譜則呈現出海拔相關的聚類模式，暗示了高海拔環境可能驅動了高海拔物種相似的表達改變。此外，還發現3種高海拔物種篩選到的正選擇基因與差異表達基因存在非常低的共享率(2.3%，218個正選擇基因中5個基因差異表達)，而基因表達、基因連通性及二者和海拔的交互作用與基因的進化速率顯著相關。這些結果揭示了3種高海拔鳥類可能以序列和表達水平協同改變的方式實現其適應性進化。
不同于其他類群高海拔適應的研究，該研究首次對野生鳥類開展了多物種、多組織、多尺度的比較分析，拓展了人們對物種如何響應高海拔環境的理解。該項工作以“Comparative transcriptomics of 3 high-altitude passerine birds and their low-altitude relatives”為題于2019年5月24日在線發表于國際權威學術期刊《美國科學院院刊》(Proceeding of the National Academy of Science USA，doi:10.1073/pnas.1819657116 )。中國科學院動物研究所雷富民研究員和屈延華研究員為論文的聯合通訊作者；中國科學院動物研究所博士研究生郝艷為論文的第一作者。該項研究得到中國科學院戰略先導項目(XDB13020300)以及國家自然科學基金重點、面上項目(31672275、31630069和31572249)的資助。