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系统发育框架下鸟类食性差异的分子进化研究

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2024-10-27 17:41

鸟类是易识别且物种多样性最高的四足类脊椎动物,具备着显著不同于其它脊椎动物的形态结构特征,如角质喙、羽毛、气囊、气质骨、龙骨突、愈合的综荐骨等。现存的1万多种鸟(今鸟亚纲)在形态、生态和行为上存在丰富的多样性,这是由于白垩纪后期(约66 Mya)鸟类大规模灭亡之后发生了全球范围内的快速扩张和辐射,这次扩张也是鸟类食性多样化形成的必要前提。雀小目隶属于雀形目,主要由雀总科、莺总科和鹟总科三大支系构成,但3总科间的亲缘关系一直备受争议。此外研究较多的另一类群——山雀科,其分类地位及与3总科间的关系也仍不清晰。为解决上述问题,本文通过利用已公布的13种雀小目鸟类基因组数据并结合本研究测得的3种雀小目鸟类(叉尾太阳鸟、画眉和暗绿绣眼鸟)混合组织的转录组数据,以美国乌鸦为外类群,找到17种鸟类共3342对直系同源基因。由于单基因树的异质性水平较高,我们优先选取MP-EST的联合分析法重建雀小目主要类群间的系统发生关系。结果显示与莺总科相比,雀总科与鹟总科亲缘关系较近;与3总科相比,山雀科作为最古老的类群,最先从雀小目分化出来且不属于任一总科。基于前文重建的系统发生树,我们假定与代谢相关的基因在上述16种雀小目鸟类中发生了适应性进化。参考综合性的鸟类食性数据库,我们将所有鸟类分成昆虫、种子、花蜜/水果摄入量较高和较低的两组,对获取的3443对直系同源基因进行选择压分析。结果显示在昆虫摄入量较高的鸟类中,与蛋白、脂质代谢相关的多数基因如AGK、GALNT7、PHKB等发生了加速进化;在种子摄入量较高的鸟类中,与淀粉、脂质代谢相关的多数基因如ALDH6A1、GPCPD1、SLC16A1等发生了加速进化;在花蜜/水果摄入量较高的鸟类中,与糖类代谢相关的多数基因如C1QL3、HYAL1、PKM等发生了加速进化。说明与代谢相关的这些基因可能在雀小目鸟类食性多样化的进程中起到了重要作用。此外,为探究鸟类的消化腺或消化器官中是否存在与食性相关联的基因差异表达,我们选取杂食性程度不同但亲缘关系较近的两种鸟(画眉和暗绿绣眼鸟),分别对它们的肠道和肝脏组织进行转录组测序,获取画眉和暗绿绣眼鸟的肠道中直系同源基因6428对,肝脏中直系同源基因5549对。差异表达分析结果显示,画眉肠道和肝脏中的高表达基因各475和431个,暗绿绣眼鸟肠道和肝脏中的高表达基因各365和348个。GO富集结果显示,画眉肠道和肝脏中的高表达基因均多与免疫相关、其次与代谢相关,暗绿绣眼鸟肠道和肝脏中的高表达基因均多与代谢相关、少与免疫及生物合成相关。结合生活史特征,我们认为画眉更倾向K-选择对策,而暗绿绣眼鸟更倾向r-选择对策。与r-策略者相比,K-策略者体格多强壮且具较强的免疫力,故画眉更可能具备更多与免疫相关的高表达基因;同时暗绿绣眼鸟食物组成的更为复杂性,可能是促使其肝脏和肠道中富集的高表达基因多数与代谢相关的原因之一。由于消化酶与能量获取和营养吸收密切相关,因此我们提出假说,即鸟类中编码消化酶的基因应该发生了适应性进化。我们在已有的48种鸟类基因组中,查找15种重要的消化酶基因[4个脂肪酶基因(CYP7A1、LIPC、LIPF和PNLIP)、3个淀粉酶基因(hAMY、pAMY和sAMY)、2个蛋白酶基因(CTRC和PGC)、2个溶菌酶基因(LYZ和LYG)、2个几丁质酶基因(CHIA和CHIT)和2个海藻糖酶基因(ATHL1和TREH)]并进行一系列进化分析。共线性分析结果表明鸟类的共同祖先已经丢失了CHIT、LIPF、Treh和sAMY基因;其余的11个基因中有7个为单拷贝基因,4个(CHIA、LYC、LYG和PGC)为多拷贝基因。功能分析预测结果表明PGC和LYG的不同拷贝之间存在功能差异。选择压分析显示,每个消化酶基因都存在正选择位点,说明这些消化酶基因在鸟类消化过程中都非常重要;同时我们检测到一种淀粉酶基因(pAMY)和一种脂肪酶基因(CYP7A1)分别在种子摄取量和肉类摄取量多的物种中进化更快,两种脂肪酶基因(LIPC和PNLIP)在肉类摄取量较低的物种中处于松弛选择。总之,我们认为基因的丢失、复制、功能分化、正选择和放松选择共同塑造了鸟类消化酶的进化,这可能与它们食性的多样化相关联。