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群体基因组研究揭示青藏高原高山倭蛙物种形成分化及适应进化机制
2018-05-15 | 作者: | 来源:两栖爬行类多样性与进化学科组 | 【小  大】【打印】【关闭】

高山倭蛙生活照(王剀摄) 

  近日,昆明动物研究所、中科院动物进化与遗传前沿交叉卓越创新中心车静研究员与张亚平院士、加州大学伯克利分校David Wake院士等7个国内外团队的合作研究成果发表在国际知名期刊《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)(http://www.pnas.org/content/early/2018/05/11/1716257115)。研究揭示了高原极端环境条件下物种形成、群体分化的遗传学基础,并探讨了选择和适应在物种形成过程中的重要作用。 

  车静课题组长期活跃在青藏高原,致力于探索高原极端环境下两栖爬行动物物种的形成演化、极端环境适应的进化遗传基础等重要问题。2014年,课题组报道了青藏高原特有两栖类——高山倭蛙线粒体谱系分化(Zhou et al., 2014),发现存在明显的地理结构,如东、西两个主要支系,其中东部支系内存在一定的高低海拔分化情况。此外,课题组通过对高山倭蛙微卫星数据分析与线粒体比较结果以及参考国内其他课题组(如Liu et al., 2015)的相关报道,发现在线粒体东、西支系的交界处存在基因渐渗情况。随后,通过与国内外多个学科组合作,成功解析了高山倭蛙的基因组(Sun et al., 2015),该基因组为后续研究该物种群体分化及高原适应性提供了重要基础。 

  本项研究在前期基础上选取了高山倭蛙分布范围内63个居群样品进行了全基因组重测序,数据分析发现: 

  1)东、西群体基因组中大部分区域已经出现明显隔离且不能发生基因渗透,支持两个物种的分化。目前研究支持二者交界处的一条狭长河谷为杂交带区域。通过对杂交带的基因组分析显示,东、西之间仅存在有限的基因交流,且杂交渗透片段短,随机散布在整个基因组中,渗透区域无明显的选择信号,提示可能发生了一次较为古老的基因交流。对东、西基因组高分化区域的分析发现与生殖相关的基因发生了显著富集。以上结果均提示高山倭蛙东、西居群之间已存在遗传上的生殖隔离,应为两个不同的物种,进一步分析提示选择作用在物种形成过程中扮演了重要角色; 

  图注:高山倭蛙基因组重测序采样分布图(左)以及群体历史分析(右)。左图:绿色W为高山倭蛙西部居群;灰色H为杂交带个体;E为东部居群,其中E1和E3为低海拔居群(2900m~3300m),E2(3900m~4900m)和E4(3700m~4500m)为高海拔居群 

  2)东部物种呈现明显的“低-高-低-高”海拔的遗传分化模式,通过比较基因组和实时荧光定量PCR分析,发现与环境相关的基因,如血管循环,低氧应答,紫外应答等受到正选择和差异表达。这与我们获得的形态及生理数据一致,例如,高、低海拔居群的皮肤组织结构中的颗粒腺数量存在显著差异,高海拔居群的血红蛋白含量要显著高于低海拔的含量。这些结果提示高原适应在东部群体的分化过程中起了重要作用。 

研究人员在野外进行实验数据采集 

图注:东部高、低海拔个体皮肤颗粒腺含量(左图)和外周血血红蛋白浓度比较(右图) 

  昆明动物所王国栋研究员和博士生张宝林为本文的共同第一作者,车静研究员、张亚平院士和David B. Wake院士为本文的共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项(B类),国家自然科学基金重大研究计划培育项目及中科院青年创新促进会等项目的支持。 

  参考文献: 

  1.  Zhou WW, et al. (2014) DNA barcodes and species distribution models evaluate threats of global climate changes to genetic diversity: A case study from Nanorana parkeri (Anura: Dicroglossidae). PLoS One 9:e103899. 

  2.  Liu J, et al. (2015) Phylogeography of Nanorana parkeri (Anura: Ranidae) and multiple refugia on the Tibetan Plateau revealed by mitochondrial and nuclear DNA. Sci Rep 5:9857. 

  3.  Sun YB, et al. (2015) Whole-genome sequence of the Tibetan frog Nanorana parkeri and the comparative evolution of tetrapod genomes. Proc Natl Acad Sci USA 112: E1257–E1262. 

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