中科院知名学者PNAS发文：比较基因组分析揭示熊猫遗传奥秘

中国科学院动物研究所的魏辅文研究员长期从事濒危动物保护生物学研究，是大熊猫和小熊猫保护生态学等领域的权威科学家，最新一期的《美国国家科学院院刊》（PNAS）刊发了魏辅文研究组的最新成果：通过检测一只雄性小熊猫的基因组序列，并把它与大熊猫的重组装基因组进行了比较，从而阐明了熊猫趋同进化的遗传基础，并提出了一个通过基因组比对分析阐明趋同演化的例子。

　　

生物通报道：中国科学院动物研究所的魏辅文研究员长期从事濒危动物保护生物学研究，是大熊猫和小熊猫保护生态学等领域的权威科学家，2006年有关大熊猫分子生态学的研究成果曾入选了年度美国Discover杂志12大生物科技新闻，去年其研究组还在Science上发文揭示大熊猫维持异常低能量代谢的机制。最新一期的《美国国家科学院院刊》（PNAS）刊发了魏辅文研究组的最新成果：通过检测一只雄性小熊猫的基因组序列，并把它与大熊猫的重组装基因组进行了比较，从而阐明了熊猫趋同进化的遗传基础，并提出了一个通过基因组比对分析阐明趋同演化的例子。

尽管大熊猫和小熊猫都被分类为食肉动物，但它们是从食肉祖先单独进化出来的，在大约4750万年前相互分离，几乎完全依靠竹子生存，这种现象称为表现型趋同，在亲缘关系远的物种之间观察到了这种现象。此外，这两个物种都有一个伪拇指，这可以让这些动物灵巧地抓住竹子。

为了分析这类趋同的遗传基础，在这篇文章中，研究人员测定了一只雄性小熊猫的基因组序列，并把它与大熊猫的重组装基因组进行了比较，发现了大熊猫和小熊猫独立进化出诸如基于竹子的饮食以及伪拇指等共同特征的一个遗传基础。

基因组分析揭示出了70个基因的适应性趋同的迹象，包括涉及伪拇指发育的两个基因DYNC2H1 和 PCNT的趋同的氨基酸取代。此外，涉及饮食蛋白质消化和氨基酸利用的酶，以及涉及维生素代谢与吸收的蛋白质，表现出了适应性趋同的迹象，这提示这些基因可能类似地进化出来，从而支持和补充一种基于竹子的饮食。

大熊猫和小熊猫的基因组都有10个伪基因，这是在进化过程中退役的基因的版本。尤其是能让食肉动物尝到肉的鲜味的TAS1R1基因在这两个物种中都是伪基因，这反映了这些动物从食肉性到杂食性最终变为草食性的转变。

此前，这一研究组与北京动物园和阿伯丁大学的学者合作，发现大熊猫每日能量消耗异常的低，几乎与树獭相似；并进一步从形态、行为、生理、遗传和基因组等方面系统揭示了大熊猫维持异常低能量代谢的机制。

研究显示，大熊猫维持异常低水平的能量消耗与其耗能器官（如大脑、肝脏和肾脏）缩小、活动水平降低和甲状腺激素水平低等特征密切相关，而甲状腺激素水平低很可能与其基因组上调控甲状腺素合成通路中的一个特异遗传突变相关。因此，通过维持异常低的能量代谢，大熊猫可采食高纤维低营养低能量的竹子而得以生存繁衍，这可能是在长期演化中大熊猫对其食性特化（专食竹子）的一种适应。

（生物通：万纹）

作者简介：

魏辅文，男，1964年4月生，研究员，博士生导师；中国科学院动物研究所副所长，动物生态与保护遗传学研究组组长。

1980年-1987年，在西华师范大学获学士和硕士学位，1997年在中国科学院动物研究所获博士学位。长期从事濒危动物保护生物学研究，重点开展大熊猫和小熊猫保护生态学、保护行为学、保护遗传学和保护基因组学研究。先后主持完成国家杰出青年基金、国际重大合作项目、国家基金重点项目、中国科学院知识创新重要方向性项目等，在Nature Genetics, PNAS, Current Biology, Molecular Biology and Evolution, Molecular Ecology, Conservation Biology, Molecular Phylogenetics and Evolution，Journal of Mammalogy, Biology Letter, Journal of Wildlife Management等刊物发表论文60多篇。2006年有关大熊猫分子生态学的研究成果在Current Biology上作为封面文章发表，Nature、Science等著名杂志和Discovery频道、BBC、路透社等多家知名媒体均在显要位置发表相关的评论和报道，并入选2006年度美国Discover杂志12大生物科技新闻；2007年在Molecular Biology and Evolution上发表有关大熊猫是否走到进化尽头的文章再次引起媒体的广泛关注，入选“2007年度中国基础研究十大新闻”。2010年，有关小相岭山系大熊猫栖息地丧失与破碎化对该地区大熊猫种群生存威胁的文章发表在Conservation Biology上， Science在Random Samples栏目发表了“野生熊猫的希望”文章，对该项工作进行了报道和评价。2011年，有关大熊猫肠道菌群帮助消化纤维素和半纤维素的工作在PNAS上，Nature等媒体对此做了报道和评价；大熊猫喜欢原始林的研究成果发表在Biology Letters，引起Nature和Science等媒体的高度关注。2012年，应邀在Molecular Ecology撰写大熊猫遗传学研究综述。2013年，利用种群基因组学方法揭示了大熊猫种群历史和适应相关成果，在Nature Genetics上以封面文章发表，Science Daily等媒体进行了报道。

研究领域：
保护基因组学、保护遗传学、保护生态学、保护行为学。

原文摘要：

Comparative genomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and red pandas

Phenotypic convergence between distantly related taxa often mirrors adaptation to similar selective pressures and may be driven by genetic convergence. The giant panda (Ailuropoda melanoleuca) and red panda (Ailurus fulgens) belong to different families in the order Carnivora, but both have evolved a specialized bamboo diet and adaptive pseudothumb, representing a classic model of convergent evolution. However, the genetic bases of these morphological and physiological convergences remain unknown. Through de novo sequencing the red panda genome and improving the giant panda genome assembly with added data, we identified genomic signatures of convergent evolution. Limb development genes DYNC2H1 and PCNT have undergone adaptive convergence and may be important candidate genes for pseudothumb development. As evolutionary responses to a bamboo diet, adaptive convergence has occurred in genes involved in the digestion and utilization of bamboo nutrients such as essential amino acids, fatty acids, and vitamins. Similarly, the umami taste receptor gene TAS1R1 has been pseudogenized in both pandas. These findings offer insights into genetic convergence mechanisms underlying phenotypic convergence and adaptation to a specialized bamboo diet.