几千年就适应了高原，这个物种是如何做到的？

　　

2019年9月12日，来自中国科学院动物研究所和华大基因的研究团队在国际顶级期刊《National Science Review》上发表了一项研究成果，研究人员通过对树麻雀高、低海拔种群进行群体基因组比较研究，发现了树麻雀对高原环境的早期适应机制。

该项研究丰富了我们对环境适应过程的早期阶段物种基因型和表型协同变化的理解，可以帮助我们更好地认识已经发生和即将发生的物种新变化。

文章标题：《Rapid phenotypic evolution with shallow genomic differentiation during early stages of high elevation adaptation in Eurasian Tree Sparrows》
发表期刊：National Science Review
发表时间：2019.09
影响因子：13.222
主要研究团队：中国科学院动物研究所、华大基因等

原文链接：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwz138/5567447

树麻雀

被称为“第三极地”的青藏高原代表着世界上最严酷的高原环境之一，然而许多生物在那里繁衍生息。以往我们对鸟类、动物和人类的研究主要集中在表型分化后期的高分化群体，高原适应过程的初始阶段仍不清楚。

树麻雀，与人类相伴栖居，跟随人类的农业发展进入青藏高原。在短短几千年里，它们的心肌、飞行肌发生了明显改变，而这些性状直接与低氧、低温环境的适应能力相关，这使得树麻雀非常适用于进行高原适应过程初始阶段的适应机制研究。

以下是主要研究过程及成果展示——

高原适应性状差异的背后，遗传差异有多大？

研究团队通过对树麻雀高、低海拔种群进行群体基因组学的比较研究，发现它们的遗传分歧非常微弱，可能是高原种群拓殖历史比较短，还未来得及发生丰富遗传变化的缘故。总之，高、低海拔树麻雀遗传上的低分化程度与表型上的显著差别不一致。

低氧适应性的主要机制——短期应激

遗传与表型间的不一致让研究者怀疑，性状的可塑性，特别是短期应激，可能是高原树麻雀表型改变的重要原因。于是，研究人员对低海拔树麻雀进行了为期一个月的低氧习服试验（低氧习服是指动物在短期低氧条件下，应激后做出的可逆的性状改变），他们发现，低氧环境使树麻雀的血红蛋白浓度等性状发生了一定的可塑性改变， 由此说明短期应激促成了树麻雀对低氧环境的适应性。

肌肉发育背后的驱动机制——多基因适应

研究人员发现，在低氧习服实验中，心肌、飞行肌的相关性状并未呈现出短期应激变化，可见，表型的可塑性未能解释高原适应的主要表型变化。通过群体基因组比较，研究人员发现，全基因组上一系列和高原适应性性状相关的基因（如肌肉发育相关的基因）相对于基因组背景有着较高的遗传分化。多个和表型性状密切相关的基因位点同时出现频率改变，驱动了肌肉等表型性状的快速改变。这一类过程也常被称为多基因适应(polygenic adaptation)。

以RhoA为调控节点的Rho-ROCK 信号通路调控肌肉性状。在高海拔树麻雀中， RhoA的调控因子（GEFs、GAPs）及其下游基因（MLC、MHC、Actin等）的基因频率或基因表达发生了明显变化。该通路在树麻雀肌肉性状变化中发挥了重要作用。

高原树麻雀肌肉的表型变异与多种基因有关

该项研究开创了领域内的诸多第一——在全球范围内第一次阐述了高原适应过程的早期阶段，为物种对特殊环境的适应提出了一种新的动态机制；首次发现高原适应背景下物种的多基因适应机制，大大拓宽了物种适应新环境研究的视野和角度，为我们理解物种在极端环境下的适应和演化提供了新的范例。

此外，研究人员还发现，与长期适应的鸟类相比，树麻雀的许多性状改变还处于次优状态（suboptimal stages）。例如，高海拔树麻雀肌肉纤维的横截面积增加，而在长期适应的鸟类身上，则主要表现为肌肉纤维数量的增加。纤维面积增加可以提高肌肉代谢能力，但也同时增加血流阻力。与长期适应的鸟类相比，这种适应机制还处于一种有代偿的次优状态。可以想象，在不久的将来，进一步的自然选择会使得新的基因突变被进一步固定下来，使物种更加适应高原环境。

测序策略

研究材料：

1)  1个低海拔树麻雀基因组组装
2)  23个树麻雀基因组重测序：11个高原树麻雀+12个低海拔区树麻雀

测序策略：

1）基因组组装：HiSeq 170bp-5Kb文库，测序深度169X
2）基因组重测序：11个高原树麻雀+12个低海拔树麻雀，每个样本测序深度12-28X

组装基因组概貌：

基因组组装大小1.05Gb，注释得到16925个蛋白编码基因。Contig N50达到0.75Mb， Scaffold N50达到11.16Mb。

华大基因在鸟类研究领域基础深厚，已发表鸟类基因组文章列表如下：

随着技术的发展以及Nanopore长读长测序平台的引入，鸟类基因组的组装水平突飞猛进，Contig N50 最长可以达到26.4Mb，远远超过单独采用短读长测序策略的效果。