飓风诱导选择对岛蜥蜴附着性能的基因组靶标

《Current Biology》：Genomic targets of hurricane-induced selection on clinging performance in an island lizard

　　

进化生物学的核心目标是理解使生物能够对新环境压力做出适应性反应的分子机制。极端天气事件（如自然灾害）可通过栖息地破坏、死亡、种群迁移和自然选择对野生动物产生灾难性影响，甚至塑造系统发育尺度上局部适应的广泛生物地理格局。然而，很少有研究调查与这类事件响应相关的生物体性能的功能变化或基因组靶标。在此，研究人员研究了飓风介导的选择机制，该机制与在特克斯和凯科斯群岛两个岛屿上观察到的、于2017年遭受飓风Irma和Maria袭击的小型岛屿特有蜥蜴——银键安乐蜥（Anolis scriptus）的平行形态变化相关。这些观察到的变化表明，面对飓风级风力，存在对附着能力（clinging ability）的方向性选择。全基因组扫描（genome scans）检测平行选择，鉴定出五个已知在肌肉骨骼发育和功能中起作用的位点（loci）。在这些位点中，hs6st1显示出与最长后趾长度的最显著全基因组关联（genome-wide association）。CRISPR诱导的hs6st1敲除（knockout）导致显著的趾长缩短和完全趾缺失。模拟高风速显示，较短的后趾长度与安乐蜥更强的附着性能（clinging performance）相关。本研究强调了性能、形态和遗传变异之间的相互作用，这些相互作用构成了野外快速适应极端天气事件的基础。随着极端天气事件在未来几十年中变得更加频繁和严重，理解其进化影响对于评估其对世界生物多样性的长期影响至关重要。

进化生物学的一个核心目标是阐明生物体如何通过分子机制应对新型环境压力。极端天气事件（如飓风）可通过栖息地破坏、死亡和自然选择对野生动物产生深远影响，但其背后的功能变化和基因组靶标尚不清楚。研究人员以特克斯和凯科斯群岛的银键安乐蜥（Anolis scriptus）为研究对象，该物种在2017年飓风Irma和Maria袭击后出现了平行形态变化，尤其是后趾缩短，提示附着能力受到方向性选择。本研究旨在揭示飓风选择在附着性能上的基因组靶标，并验证其功能。研究发表于《Current Biology》。

研究人员采用了以下主要关键技术方法：1）利用限制性位点相关DNA测序（RAD-seq）对来自Pine Cay和Water Cay两个岛屿的种群（2017年飓风前：n=40；2018年飓风后：n=123）进行全基因组单核苷酸多态性（SNP）分析，评估种群结构并排除飓风介导的岛屿间迁移。2）通过群体分支统计（PBS）及其衍生方法（PBE、PBSn1）检测平行选择信号，并结合全基因组关联分析（GWAS）鉴定与后趾长度相关的位点。3）对2 Mb区域进行捕获测序（平均深度182×），精细定位共选择信号。4）利用CRISPR-Cas9技术在棕色安乐蜥（Anolis sagrei）中敲除候选基因hs6st1，验证其对后趾形态的影响。5）在实验室中构建风速模拟系统（Windshaper，产生106 km/h热带风暴风速），结合高速摄像和DeepLabCut追踪，评估后趾形态对附着性能的影响。

**结果与讨论**

**平行飓风诱导选择作用于肌肉骨骼发育位点**
通过RAD-seq分析，主成分分析（PCA）和判别函数分析（DFA）显示两个岛屿种群间存在显著遗传分化，但飓风前后无分化，支持独立平行选择。全基因组PBS扫描在两个幸存种群中鉴定出五个共享候选基因：tnpo1（参与骨量调节）、cntn3（肌腱选择性基因）、pdzn3（负调控骨形态发生蛋白2诱导的成骨分化）、ppp4r2（调节骨骼肌功能）和hs6st1（参与脊椎动物肢芽发育）。这些基因均与肌肉骨骼发育和功能相关，支持飓风选择靶向树栖蜥蜴的攀爬、协调和抓握能力。

**hs6st1位点与后趾形态关联**
GWAS分析显示，hs6st1内的一个单核苷酸变异与最长后趾（后趾IV）相对长度呈最显著的全基因组关联。该表型在飓风后两个岛屿上都显著缩短（β ± SE: ?0.03 ± 0.009; t₁₅₉ = ?3.75; p = 0.0002），表明该位点是飓风选择的目标。

**hs6st1位点周围共定位的基因组信号**
对2 Mb捕获区域进行精细定位，通过基因水平评分（TGS）整合平行选择（PBS）和性状关联（GWAS）信号，发现hs6st1在平行性、性状关联和总分三项指标中均排名第一。其内含子1内一个3 kb的基因型块包含多个转座元件，其中5个SNP达到支持阈值，3个SNP与后趾长度显著相关，该区块共同解释11.58%的额外表型变异（ΔR2 = 0.1158, p < 0.05），支持hs6st1是共选择信号的核心来源。

**hs6st1敲除对安乐蜥后足形态的功能效应**
在棕色安乐蜥（Anolis sagrei）中通过CRISPR-Cas9敲除hs6st1，获得5个嵌合体胚胎。与50个野生型胚胎相比，敲除个体后趾IV长度显著缩短（ANOVA，F_1,50.0 = 5.53, p = 0.02），并表现出异速生长分离，即较小个体趾骨不成比例地更短。骨元素分析显示，跖骨、第一趾节和第二趾节的长度均显著减少，软骨面积也减小。此外，一个敲除个体出现完全双侧趾缺失（第一趾）。这些结果证实hs6st1对安乐蜥后肢远端发育至关重要，与鸡和小鼠的已知功能一致。

**后趾形态对高风速下附着性能的重要贡献**
在实验室模拟106 km/h风速条件下，对63只成年雄性棕色安乐蜥进行附着测试。高速摄像和DeepLabCut追踪发现，后肢平均附着时间（11.18 s）显著短于前肢（22.72 s）。线性混合模型分析显示，后趾IV的第一趾节骨长度是唯一对总附着时间有显著主效应的骨骼元素，较短的相对骨长与更长的附着时间相关（estimate = ?0.573, df = 30.57, p = 0.042）。此外，第一趾节骨与股骨长度、后肢伸展之间还存在显著交互作用。这些结果表明，较短的趾长可减少风力阻力，增强附着稳定性，直接支持了野外观察到的平行形态变化是适应性选择的结果。

**总结与结论**
本研究通过整合种群基因组学、功能验证和性能实验，揭示了极端天气事件如何通过选择作用于特定基因（如hs6st1）改变后趾形态，进而增强附着性能，实现快速适应性进化。研究结论指出：灾难性天气事件预计在未来几十年中频率和强度都将增加，对全球野生种群施加选择压力。然而，此类事件在自然界塑造进化轨迹的作用一直存在争议。揭示自然选择、生态相关性能、形态和遗传变异之间的联系对于理解此类事件的持久生物学影响至关重要，但在野外研究中极其困难。本研究展示了极端天气事件如何同时改变功能性能、形态变异及其遗传基础，从而在野外产生快速适应性反应。此外，本研究证明了经历类似极端天气事件的遗传不同种群可以在复杂性状上表现出快速平行响应，这种响应可以在多个生物学层次上量化。这些结果对面临此类事件日益频繁的地区（特别是那些栖息着地理分布有限的脆弱岛屿特有物种的地区）的种群持续性和保护管理具有启示意义。