小山雀凭何栖息青藏高原？中国科学家揭示高原鸟类适应性机制

来源：中国科学报

作者 | 李晨阳 刘如楠

长尾山雀科的鸟儿都是体态玲珑的小可爱。作为近缘种，棕额长尾山雀和红头长尾山雀除了身上的“穿搭”色彩不同外，长相实在相似。

然而，两种小鸟的栖息环境却大不相同：棕额长尾山雀生活在2000~3000米的高海拔地区，在青藏高原的特殊环境里来去自如；红头长尾山雀则更青睐低海拔地区的山林和灌丛。

相似的外表下，到底是哪里出现了差异？

近日，中科院动物研究所研究员雷富民、屈延华的研究团队揭示了3种高原鸟类适应高海拔环境的遗传机制，相关成果发表于美国《国家科学院院刊》。

探寻高原小鸟的“秘密武器”

青藏高原是中国最大、世界海拔最高的高原，平均海拔4500米。

高海拔地区缺氧、低温、紫外线辐射强，在这里生存的哺乳动物和鸟类耐寒性、抗缺氧能力、代谢能力等都会增强，体重也会增大。

雷富民课题组去年在美国《国家科学院院刊》上发表过一项研究，通过比对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的血红蛋白氧亲合力比其低海拔近缘种有所增加。

这些功能变化大多由不同的氨基酸替代所导致。

“对高原生物适应性的研究，过去大多集中在表型上，比如体型大小、结构形态、代谢速率等。”论文第一作者、中科院动物所博士研究生郝艳告诉《中国科学报》，“这一次我们更希望从分子层面上揭示这些适应性特征趋同进化背后的遗传机制。”

他们选择了3种来自青藏高原高海拔地区的雀形目鸟类——褐冠山雀、黑冠山雀和棕额长尾山雀，同时确定了3种与它们各自有相同遗传距离（控制进化时间不同对遗传适应的影响）的近缘低海拔物种——沼泽山雀、黄腹山雀和红头长尾山雀。

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

共享200多个“宝藏”基因

通过对这些鸟类共有的7000多个基因进行比较分析，研究人员发现3个高海拔鸟类物种竟然共享了多达218个所谓的“正选择基因”——能让鸟类在高海拔地区的特殊环境下提高生存能力或繁衍能力的基因。

研究人员猜测，除基因变异外，一些特定氨基酸的替代或许也对鸟类的高原生活适应能力作出了贡献。

但他们随后发现，3个高海拔物种只有4个基因中包含相同的氨基酸替代位点。

“我们的结果显示，这几种鸟类的高海拔适应性趋同主要表现在正选择基因水平，而非氨基酸替代水平。”郝艳说。

通常在不同物种的多个组织中，基因存在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相同组织中的基因表达，应该比相同物种内的不同组织更相似。物种特异性表达模式则是指同一物种内不同组织中的基因表达，应该比物种间相同组织更相似。

研究人员对所有组织中基因表达的模式进行了聚类分析。

这些来自不同鸟类相同组织的数据被聚集在一起，表明了一般的组织特异性表达模式。

也就是说，不同种鸟类同一组织的基因表达有很强的相似性，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的基因集的表达谱，则呈现出海拔相关的聚类模式，暗示了高海拔环境可能驱动了高海拔物种相似的表达改变。

有助理解物种如何响应高海拔环境 

这些结果揭示了3种高海拔鸟类可能以序列和表达水平协同改变的方式，实现了对环境的适应性进化。

论文通讯作者之一屈延华告诉《中国科学报》：“不同于其他类群高海拔适应的研究，我们的研究首次对不同亲缘关系野生鸟类开展了多物种、多组织、多尺度的比较分析，拓展了人们对物种如何响应高海拔环境的理解。”

“相比性状进化的普遍趋同，遗传的适应性进化更多受到系统发育关系，即遗传背景的相似程度的影响。这一现象不仅仅适用于鸟类，在动物类群中也有普遍规律。”她说。

原相关论文信息：

DOI: 10.1073/pnas.1819657116

《中国科学报》 (2019-06-11 第1版 要闻)