詹祥江实验室揭示猎隼青藏高原适应的遗传机制:北极基因渗入与染色质调控

  青藏高原,被称为“世界第三极”,与北极地区具有相似的极寒气候,栖息于两地的某些哺乳动物展现出相似的低温适应表型(例如厚重的毛发、庞大的体型等)。那么是否存在两极地物种间与低温适应相关的基因流动呢?除低温外,高原动物还面临着低氧、强紫外(UV)辐射等极端环境的生存挑战,过去人们对高原动物的适应性进化研究中,大多围绕低氧适应,而对低温、强UV环境的适应机制仍所知甚少。

  2022年10月27日,js6666金沙安全下载詹祥江实验室在国际综合期刊Nature Communications 杂志在线发表了题为“Arctic introgression and chromatin regulation facilitated rapid Qinghai-Tibet Plateau colonization by an avian predator”(doi: 10.1038/s41467-022-34138-3)的研究论文。在该研究中,团队结合多组学分析和功能实验,首次发现了北极近缘物种对于青藏高原动物适应性进化的遗传贡献,并系统性地探讨了高原动物如何适应低温、低氧、强UV胁迫的遗传机制。

  猎隼(Falco cherrug),是青藏高原的代表性猛禽,广泛分布于欧亚大陆和北非的内陆草原和丘陵地区,在我国还分布于新疆、内蒙、东北等地区。而其近缘种矛隼(F. rusticolus)现在主要栖息于北极和亚北极地区的冻土苔原和森林苔原地带。该项研究主要基于三代测序技术,组装了染色体水平的猎隼基因组。并对源自欧亚大陆的三大主要繁殖地的30只猎隼个体,和欧亚北极地区的10只矛隼个体进行了种群基因组学研究。研究发现东部猎隼种群中超过20%的等位基因位点来源于矛隼渗入(Introgression)。对两者历史栖息地模拟发现,末次盛冰期(LGM)时期矛隼从北极向南迁移,在西伯利亚南部与猎隼发生杂交,有趣的是其婚配方式主要以雌性矛隼与雄性猎隼杂交为主。种群遗传学的结果揭示猎隼逐步扩散至青藏高原的可能路线是:1)约4.1(3.8-7.8)万年前,猎隼从中欧地区扩散到亚洲东部;2)LGM时期,东部猎隼种群与矛隼杂交;3)约1.0(0.8-1.2)万年前,猎隼种群从蒙古拓殖至青藏高原地区。这使得研究人员能够系统地研究猎隼在青藏高原快速的适应性进化过程。

  低温适应方面,发现生活在寒冷地区的高原猎隼比西部猎隼体型更大,体重更重,这一现象符合贝格曼法则。在高原猎隼基因组中发现了两个相关的渗入基因:SCMH1SCARB1SCMH1内含子上的渗入片段具有更强的抑制效应,使基因表达下降,进而可能使其下游与身体发育相关的HOX基因表达上调,引起猎隼体型增大。此外,渗入型的SR-B1P121L(由SCARB1编码)氨基酸突变,有利于高原猎隼清除血液中更多的胆固醇,降低寒冷条件下脂质增加的负效应。由此可见,从北极近缘种中渗入的关键基因,有助于猎隼更好地栖息于青藏高原的低温环境。

  低氧适应方面,利用基因组、三维基因组和转录组分析,发现高原猎隼基因组中一段受选择最强的区域(500 Kb),折叠成一个拓扑结构域(TAD),使得该区段内的调控元件与血红蛋白基因间的互作增强,促进血红蛋白表达量显著升高,响应低氧压力。

  强UV适应方面,通过比较羽毛的反射光谱发现,高原猎隼呈现更深的羽色。基因组上与色素沉积相关的基因ASIP的一段内含子区受到正选择。高原型片段的增强效应减弱,因而减少了ASIP基因的表达,促进真黑色素的合成,这可能减少了UV对高原猎隼的损伤。

  该研究聚焦于高原动物适应极端环境的遗传机制,组织多国科学家联合攻关,利用基因组学、表观基因组学和功能基因组学技术,阐明了猎隼快速拓殖青藏高原的过程,发现了由北极姊妹种矛隼渗入的2个低温适应关键基因,并揭示了非编码区突变在低氧、强UV适应相关基因表达调控中的重要作用,为动物适应高原极端生境提供了新的见解。该研究由js6666金沙安全下载主导,蒙古野生动物科学与保护中心、斯洛伐克猛禽保护中心、俄罗斯科学院乌拉尔分院等多个国家的单位合作完成,并得到三江源国家公园的大力支持。js6666金沙棋牌博士研究生胡莉、龙娟、林依为论文共同第一作者,詹祥江研究员和潘胜凯助理研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、金沙下载js6666战略性先导科技专项、第三次新疆综合科学考察研究和第二次青藏高原综合科学考察研究等项目的支持。

  文章链接: https://doi.org/10.1038/s41467-022-34138-3

图1. 猎隼逐步拓殖到青藏高原

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