Science解答“既然是鸟,它们为什么不飞?”

【字体: 时间:2019年04月19日 来源:

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  这项发表在Science上的研究探索了不会飞行的鸟类进化背后的遗传学原理。

  

自达尔文时代以来,科学家们一直在想,像鸸鹋、鸵鸟、几维鸟、食火鸡等不会飞的鸟类是如何联系在一起的,几十年来,人们怀疑它们可能拥有一个共同的祖先,为了植根大地的生活而放弃了天空。

到了21世纪初,使用基因工具的新研究推翻了这一说法,转而指出了另一种观点,即在整个历史中,无飞行性进化了很多次。然而,关于进化是否在这些独立的鸟类谱系中拉动了相似或不同的遗传杠杆的问题仍然没有答案。

哈佛大学的一个研究小组认为,他们如今可能已经找到了部分答案。

根据对十多只不会飞的鸟类(包括一只已经灭绝的恐鸟)的基因组的分析,由FAS信息学小组主任Tim Sackton,组织和进化生物学教授Scott Edwards领导的一个研究小组发现,虽然不同物种的基因组在蛋白质编码上有着广泛的多样性,但是当它们进化出不飞性时,似乎都转向了相同的调控途径。

除了Sackton和Edward之外,这篇Science文章作者还包括统计学教授和生物统计学教授Jun Liu、统计学研究助理Zhirui Hu、Edwards实验室的博士后研究员Alison Cloutier以及新西兰、德克萨斯大学和皇家安大略博物馆的团队。

“在融合特性的进化生物学中,有着悠久历史的一个观点认为,在同一种表型上存在着独立的进化,”Sackton说。“我们感兴趣的是这是怎么发生的?”

“这些鸟都有类似的身体计划,”他继续说。“它们的前肢有不同程度的退化,而且它们的胸骨都失去了固定飞行肌肉的龙骨。这相当于一系列的聚集形态变化,导致所有这些物种都有类似的身体计划。”

为了理解是什么驱动了这一系列的变化,Sackton、Edwards和同事们研究了鸟类自身的基因组。

“我们不仅想比较基因组中编码蛋白质的部分,还想比较基因组中调控蛋白质表达的部分,”Sackton说。为了确定这些区域,研究小组排列了超过36种鸟类的基因组-包括飞行的和不飞行的-然后确定在它们的基因序列上表现出相对较少差异的区域。基因组中的这些位置是保守的,但不属于蛋白质的部分,可能具有调节功能。

“我们与哈佛大学的统计学者合作,开发了一种新的统计方法,让我们可以询问每一种调节元素,这些物种中有多少种表现出相同的分歧模式,提示它们可能改变了相同的调节元素,”Sackton说。“我们发现,虽然蛋白质编码基因共享不多,但这些调控区域的存在表明,在这种表型进化的每一次过程中,都有一些共同的发育途径被反复成为目标。”

Sackton说,虽然蛋白质编码基因似乎负责饮食、羽毛功能和环境的适应,但调节区域似乎在伴随不的身体比例变化中起着关键作用。

他说:“形态学变化的有趣之处在于,它们必须保留后肢,有很多方法可以阻止肢体的形成,但是在不改变后肢的情况下退化前肢更困难。”

在某些方面,这个故事是有意义的——尽管看起来很奇怪,但比起缩小一个肢体,不形成一个肢体可能相对更容易。

“如果你仔细想想,有很多方法可以打破某些东西,”他说。“在四肢发育的早期有很多步骤,例如一种蛋白质没有被表达,它就会关闭系统,结果就是没有四肢。”

“但这实际上是一个复杂的身体比例变化,”他继续说。“你不能只是随意地把四肢长到不同的尺寸,所以……事实上,保持功能性后肢很重要,这限制了系统,这可能是我们看到这种会聚模式的原因。”


为了证明这一理论,研究小组在鸟类基因组中的某些调控区域贴上了一个能产生绿色荧光蛋白的基因,并发现——在不能飞行的物种中,那些据信已经发生功能变化的区域——标记基因被有效地关闭了。

“为了让四肢开始生长,需要发生很多事情……因此,如果你能去掉一种增强子,使这些蛋白质更难被表达出来,你就可以推迟这个过程,”Sackton说 。“表明这些区域可能失去了一些重要的结合位点,阻止它们发挥增强子的作用。”

归根结底,这一切都归结为:鸟类在不飞行性进化时选择余地有限,因此不同种类的鸟一次又一次地去同一个井,Sackton说。

“这就是我们从这项工作中得出的结论,”他说。“这种类型的缩放可变途径有限,它们以这种早期肢体发育的规则为中心。”

这项研究还强调了多学科方法的威力。“对于我个人来说,这个项目令人兴奋的一件事是,我们如何能够让信息学小组的计算专家来处理进化生物学中这个非常重要的问题。将计算、统计遗传学与自然历史观点结合起来,对于全面了解这些鸟类的进化过程非常重要,”Edwards补充说。“一个拥有不同技能的研究团队能做的事情令人兴奋。我们小组有发育生物学家、计算生物学家、形态学家、统计学家、种群遗传学家——当然还有鸟类学家。每种方法都会带来不同的观点,我认为结果令人惊叹。”

原文检索:Convergent regulatory evolution and loss of flight in paleognathous birds

(生物通:伍松)

 

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