長尾山雀科的鳥兒都是體态玲珑的小可愛。作為近緣種，棕額長尾山雀和紅頭長尾山雀除了身上的“穿搭”色彩不同外，長相實在相似。
然而，兩種小鳥的栖息環境卻大不相同：棕額長尾山雀生活在2000~3000米的高海拔地區，在青藏高原的特殊環境裡來去自如；紅頭長尾山雀則更青睐低海拔地區的山林和灌叢。
相似的外表下，到底是哪裡出現了差異？
近日，中科院動物研究所研究員雷富民、屈延華的研究團隊揭示了3種高原鳥類适應高海拔環境的遺傳機制，相關成果發表于美國《國家科學院院刊》。
探尋高原小鳥的“秘密武器”
青藏高原是中國最大、世界海拔最高的高原，平均海拔4500米。高海拔地區缺氧、低溫、紫外線輻射強，在這裡生存的哺乳動物和鳥類耐寒性、抗缺氧能力、代謝能力等都會增強，體重也會增大。
雷富民課題組去年在美國《國家科學院院刊》上發表過一項研究，通過比對血紅蛋白的功能表型和分子結構，證明青藏高原高海拔鳥類的血紅蛋白氧親合力比其低海拔近緣種有所增加。這些功能變化大多由不同的氨基酸替代所導緻。
“對高原生物适應性的研究，過去大多集中在表型上，比如體型大小、結構形态、代謝速率等。”論文第一作者、中科院動物所博士研究所學生郝豔告訴《中國科學報》，“這一次我們更希望從分子層面上揭示這些适應性特征趨同進化背後的遺傳機制。”
他們選擇了3種來自青藏高原高海拔地區的雀形目鳥類——褐冠山雀、黑冠山雀和棕額長尾山雀，同時确定了3種與它們各自有相同遺傳距離（控制進化時間不同對遺傳适應的影響）的近緣低海拔物種——沼澤山雀、黃腹山雀和紅頭長尾山雀。
研究人員對這6種鳥類的心髒、肌肉、肝髒、肺髒、腎髒等5種組織進行了深度轉錄組測序，并比較了高、低海拔物種間在序列水準和表達水準上的差異。
共享200多個“寶藏”基因
通過對這些鳥類共有的7000多個基因進行比較分析，研究人員發現3個高海拔鳥類物種竟然共享了多達218個所謂的“正選擇基因”——能讓鳥類在高海拔地區的特殊環境下提高生存能力或繁衍能力的基因。
研究人員猜測，除基因變異外，一些特定氨基酸的替代或許也對鳥類的高原生活适應能力作出了貢獻。但他們随後發現，3個高海拔物種隻有4個基因中包含相同的氨基酸替代位點。
“我們的結果顯示，這幾種鳥類的高海拔适應性趨同主要表現在正選擇基因水準，而非氨基酸替代水準。”郝豔說。
通常在不同物種的多個組織中，基因存在組織特異性表達和物種特異性表達兩種模式。組織特異性表達模式是指不同物種相同組織中的基因表達，應該比相同物種内的不同組織更相似。物種特異性表達模式則是指同一物種内不同組織中的基因表達，應該比物種間相同組織更相似。
研究人員對所有組織中基因表達的模式進行了聚類分析。這些來自不同鳥類相同組織的資料被聚集在一起，表明了一般的組織特異性表達模式。也就是說，不同種鳥類同一組織的基因表達有很強的相似性，這表明組織分化可能先于物種分化。
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。
有助了解物種如何響應高海拔環境
這些結果揭示了3種高海拔鳥類可能以序列和表達水準協同改變的方式，實作了對環境的适應性進化。
論文通訊作者之一屈延華告訴《中國科學報》：“不同于其他類群高海拔适應的研究，我們的研究首次對不同親緣關系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了解。”
“相比性狀進化的普遍趨同，遺傳的适應性進化更多受到系統發育關系，即遺傳背景的相似程度的影響。這一現象不僅僅适用于鳥類，在動物類群中也有普遍規律。”她說。
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DOI:10.1073/pnas.1819657116