作者:杨晨 来源:中国科学报 发布时间:2022/10/18 17:08:51
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温泉蛇的起源演化与青藏高原的形成和隆起有关系

 

10月11日,《科学》杂志新闻栏目以“揭示西藏温泉蛇的秘密”为题,对中国科学院成都生物研究所(简称中科院成都生物所)李家堂研究团队的温泉蛇系列研究成果进行了报道。

 Science杂志News栏目报道李家堂研究团队的温泉蛇系列研究成果 成都生物所供图

文章提到,2015至2018年间,李家堂研究团队聚焦温泉蛇高原极端环境适应与演化机制相关研究,于2018年首次公布了西藏温泉蛇基因组草图,并揭示了温泉蛇属物种适应高原低氧及强紫外的遗传机制,研究成果发表于《美国国家科学院院刊》。在此基础上,研究团队结合行为学,比较基因组学以及膜片钳实验等技术方法,进一步揭示了温泉蛇温度感知能力的进化遗传机制。基于更新的高质量基因组,团队还开展了西藏温泉蛇和四川温泉蛇的群体基因组学研究,为其保护提供重要科学支撑。

青藏高原具有气候寒冷、氧气含量低、紫外线强烈等特点,对高原上生活的动物来说是巨大的挑战,同时也是研究动物对高海拔环境适应的天然实验室。此前已有关于人类、牦牛等恒温动物适应高原环境遗传机制的研究,但缺乏变温动物的相关研究。温泉蛇是揭开变温动物高海拔适应之谜的良好动物模型。

温泉蛇属Thermophis隶属于食螺蛇科,目前包括3个物种:西藏温泉蛇、四川温泉蛇和香格里拉温泉蛇,它们是中国特有珍稀保护物种,为国家一级保护动物,也是世界上分布海拔最高的蛇类类群之一,均生活于青藏高原海拔3500–4400米的地区。温泉蛇的起源和演化与青藏高原的形成和隆起有着密切的联系。

世界上大多数蛇类生活在热带或亚热带地区,高原的寒冷环境通常不利于蛇类的繁衍生息。温泉蛇作为世界上分布海拔最高的蛇类类群之一,并且能够在高原隆升和冰河期的剧烈气候变化中幸存下来,意味着其必然具有特殊的温度适应策略。研究团队结合野外调查和文献调研,整理了高原地热资源以及温泉蛇的分布信息,发现温泉蛇高度偏好温泉生境。通过趋热行为学实验证明,相较于另外两种低海拔蛇类,温泉蛇能够更快速地定位到高温区域,且对高温区表现出强烈的偏好,提示温泉蛇具有高效的温度感知能力。

通过进一步比较基因组分析发现,温泉蛇中温度感知和调节能力相关的基因发生了进化改变,其中TRPA1包含3个温泉蛇特有的氨基酸替换,这些位点的突变可能会改变蛋白的空间构象,并改变跨膜通道中阳离子流通性。膜片钳实验表明,这三个位点的改变不会导致TRPA1温度响应阈值的改变,但是会增强其热敏感性和热诱导开放程度。这有利于温泉蛇对温暖环境做出更快速的应答。上述结果与趋热行为学实验结果相符。

TRPA1也是具有唇窝/颊窝蛇类感知红外热源的重要分子元件之一。红外蛇类感知红外主要由于TRPA1的特有突变,通过改变其对温度的敏感阈值来实现,这与温泉蛇中改变TRPA1对热的敏感性不同,提示蛇类可能存在两种不同的温度感知分子策略。其中,TRPA1蛋白中ANKs结构域位于细胞膜一侧,提供与配体相互作用的基础,可能参与蛇类红外感应功能中温度敏感阈值的调整;而TM1到TM6结构域位于跨膜区,是该离子通道的主体结构,温泉蛇TM6区域位点的突变可能通过改变离子通道的构象,实现相同温度刺激下开放程度的增加。相关研究成果于近期发表于《创新》。

温泉蛇的起源和演化与青藏高原的形成和隆起有着密切的联系。研究团队还开展了西藏温泉蛇群体基因组学研究,探究该物种的群体遗传结构、种群历史动态以及对群体分化产生作用的地理、气候以及微环境等趋动因素。

基于全基因组SNPs分析表明,西藏温泉蛇在遗传上被分为三个类群,按地理分布被定义为西部、中部和东部类群,其中西部类群与另两者遗传差异最大;尽管存在分化,但群体间广泛存在基因流。其中,中部分类群因其所处地理位置特殊性一定程度上承载了东、西部类群基因交流传递的角色;对西藏温泉蛇的种群历史动态研究则提示,气候因素、地理结构以及温泉微环境差异对促进其分化和塑造其分布格局具有重要作用。

同时,作为国家重点保护物种,研究团队对西藏温泉蛇遗传多样性等内容进行了分析。结果表明,西藏温泉蛇具有较低的基因组杂合度(0.016%到0.034%),较高的近交系数(0.779到0.926)以及遗传负荷;对西藏温泉蛇的染色体结构变异分析也反映出该物种较低的多样性水平。研究成果可为西藏温泉蛇及其他高原物种保护策略的制定提供科学支撑。该成果于近期发表于《分子生态学》。

温泉蛇作为世界上分布海拔最高的蛇类类群之一,高度依赖青藏高原的温泉生境,为探究蛇类极端环境适应提供了理想的模型。李家堂研究团队以温泉蛇为动物模型,长期致力于高原变温动物的适应性演化机制研究。未来期望整合多学科技术手段与多维度数据,继续深入探寻这类神奇的动物在青藏高原上生存与演化的“秘密”。

相关论文信息:doi: 10.1126/science.adf2873

 
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