鼠兔缺氧,昆明动物所等揭示金丝猴属物种高海

2019-08-30 作者:科技展览   |   浏览(126)

全球变暖 鼠兔缺氧

[video:[新闻直播间]中科院:首次发现金丝猴高原适应突变基因]

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金丝猴属(Rhinopithecus)属于灵长目,猴科,疣猴亚科,包括5个近缘物种:滇金丝猴、怒江金丝猴(R.strykeri )、川金丝猴(R. roxellana)、黔金丝猴(R. brelichia)和越南金丝猴(R. avunculus)。所有物种均被列为红色物种名录濒危物种。除了重要保护生物学价值,金丝猴属物种不仅发展出以树叶为食的特化食性,而且占据了从低海拔到高海拔的生境类型(800-4500m)。黔金丝猴和越南金丝猴分别生活在中国贵州和越南北部的低地山区,滇金丝猴、川金丝猴和怒江金丝猴生活在西藏和中国中部不同的高海拔区域。尤其是滇金丝猴,目前仅存于我国滇藏交界的高寒森林中,海拔高度都在4000米左右,是除人类外世界海拔分布最高的灵长类动物。金丝猴属物种为研究动物对高海拔环境适应性进化遗传机制提供了很好的动物模型。近年来基因组学,特别是进化基因组学的发展,为系统和整体地揭示自然选择的遗传机制提供了前所未有的机会。

图片来源:Katherine Solari

云南大学研究员于黎课题组、中国科学院昆明动物研究所研究员张亚平课题组和陈勇斌课题组、芝加哥大学教授吴仲义课题组和中国科学院北京基因组研究所强强联合,成立联合攻关团队,对金丝猴属物种高海拔环境适应遗传机制开展研究。首先,利用二代Ilumina HiSeq2000测序平台,对一只滇金丝猴进行de novo测序,并与其它哺乳动物的比较基因组分析显示:滇金丝猴中显著扩张基因家族中的基因显著富集在DNA修复和氧化磷酸化过程中。此外,对滇金丝猴和猕猴多个组织进行RNA测序和比较转录组分析显示:能量代谢相关组织中高表达基因在物种间的组织比物种内不同组织之间表现出更大的相似性,而且高表达基因富集在与氧化磷酸化和心脏肌肉收缩相关通路中。

说起在寒冷的天气中保持温暖,鼠兔是优胜者。但这种适应是有代价的,并且可能使这些小型山地“居民”无法应对气候变化。

接下来,科研人员对同属的黔金丝猴、怒江金丝猴和越南金丝猴各一个个体进行全基因组重测序,并结合已经发表的川金丝猴de novo基因组,通过比较基因组学分析,在三个高海拔金丝猴物种中(滇金丝猴、怒江金丝猴和川金丝猴)发现6个基因中的8个共有氨基酸替换。这些基因与肺功能、DNA修复和血管生成相关。对其中与DNA修复相关的CDT1的紫外辐照实验表明突变型相对于野生型具有更强的稳定性,推测突变有助于金丝猴在高海拔环境中对紫外线的抵抗;对与血管生成相关的RNASE4基因检测发现突变型在诱导HUVEC细胞生成管状结构方面具有更高活性,推测突变可能增强RNASE4的血管生成能力,有助于金丝猴适应高海拔环境。最后,对滇金丝猴一个群体和川金丝猴三个群体进行基因组扫描,发现了群体之间的重叠和各群体特异的受选择基因,这些基因与DNA修复、心脏和血管发育、缺氧反应、能量代谢和血管生成相关。

随着栖息地变热,生活在低海拔地区的鼠兔在避免灭绝上面临一个重大冲击:迁徙到更加凉爽和山上更高的地方。不过,即便它们能完成这一转移,低海拔处的鼠兔也可能无法应对较高海拔处的低氧环境。生物学家在日前于加州举行的美国博物学家学会会议上报告了这一发现。

该研究基于多层次研究,包括种上和群体的基因组序列分析,转录组和功能实验,发现与金丝猴物种适应高海拔环境相关的遗传机制。以非人灵长类为研究模型,对高海拔适应这一复杂性状作了一个新的和更全面的揭示。该研究成果于7月11日在线发表在Nature Genetics上(Genomic analysis of snub-nosed monkeys (Rhinopithecus) identifies genes and processes related to high-altitude adaptation, Nature Genetics, DOI: 10.1038/ng.3615)。于黎、吴仲义和张亚平为论文的通讯作者。

鼠兔包括约30个物种,全都生活在不同的海拔高度。它们可能已在生活的地方进化出特定的适应性变化。为评估高、低和中海拔居住者的功能性差异,研究人员比较了10个来自从海平面到5000米海拔高度的鼠兔物种。他们研究了细胞能量工厂——线粒体中的3个基因。这些基因编码了利用氧气产生身体所需化学能量的蛋白。

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来自高海拔处鼠兔的蛋白似乎在这种转换中表现得非常高效,从而有助于解释为何它们在空气稀薄的山地高处繁盛。生活在低海拔的鼠兔拥有一个看上去产生很多热量但较少细胞能量的修改版本。对于保持温暖来说,这很棒,但如果它们不得不迁移到高效利用氧气至关重要的更高海拔处,这可能使它们的生存变得艰难很多。

昆明动物所等揭示金丝猴属物种高海拔适应遗传机制

如果鼠兔衰退,对于整个生态系统来说可能是个大麻烦:在青藏高原,鼠兔是在整个冬天保持活跃的最常见小型哺乳动物,从而为雪豹、鼬鼠,甚至熊提供了极少的食物来源。更重要的是,由于每只鼠兔的地下洞穴有60个入口,因此它们将部分陆地景观变成了能吸收季风雨和减缓径流的“海绵”,从而有助于使河流全年保持丰沛。

《中国科学报》 (2016-01-27 第2版 国际)

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