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兩棲爬行學(xué)分會(huì)副主任委員——李家堂研究員團(tuán)隊(duì)揭示“飛蛙”滑翔的遺傳機(jī)制
動(dòng)物復(fù)雜性狀是動(dòng)物長(zhǎng)期適應(yīng)演化的結(jié)果，是動(dòng)物多樣性形成的重要基礎(chǔ)。自然界物種采取各種各樣的進(jìn)化策略以適應(yīng)不同的棲息地，如高原、海洋、荒漠等。部分類(lèi)群通過(guò)演化出了特殊的表型以適應(yīng)樹(shù)棲生活。樹(shù)棲生活拓展了這些物種對(duì)垂直空間資源的利用，有助于它們躲避天敵，獲取豐富的食物資源等。但森林環(huán)境復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)也對(duì)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力提出了嚴(yán)苛的要求。
在白堊紀(jì)末期大規(guī)模物種滅絕事件后，無(wú)尾目多個(gè)科的物種獨(dú)立演化出了攀爬和滑翔的相關(guān)表型，并成功拓殖樹(shù)棲生態(tài)位，黑蹼樹(shù)蛙就是其中的代表性物種。黑蹼樹(shù)蛙隸屬于樹(shù)蛙科，常年生活在熱帶雨林樹(shù)冠層，是典型的樹(shù)棲蛙類(lèi)。據(jù)報(bào)道，其最高棲息高度達(dá)57米，為目前樹(shù)棲蛙類(lèi)停留高度的最高記錄。黑蹼樹(shù)蛙具有強(qiáng)大的滑翔能力，因此又被稱為“飛蛙”，為揭開(kāi)兩棲動(dòng)物樹(shù)棲適應(yīng)之謎提供了良好的動(dòng)物模型。
近日，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所李家堂研究團(tuán)隊(duì)等以云南西雙版納地區(qū)的“飛蛙”——黑蹼樹(shù)蛙為研究對(duì)象，通過(guò)多維度研究手段，闡明了其攀爬和滑翔行為相關(guān)表型的遺傳機(jī)制。該研究成果以“Genomic adaptations for arboreal locomotion in Asianflying treefrogs”為題在《美國(guó)科學(xué)院院刊》以封面論文形式發(fā)表。
研究團(tuán)隊(duì)選擇了蹼發(fā)達(dá)的黑蹼樹(shù)蛙（滿蹼）和寶興樹(shù)蛙（微蹼）開(kāi)展行為學(xué)實(shí)驗(yàn)。研究人員分別設(shè)置了1，1.5和2米的高臺(tái)，讓兩種樹(shù)蛙分別落下并記錄運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑蹼樹(shù)蛙在下降過(guò)程中會(huì)盡力撐開(kāi)四肢，依靠滿蹼維持空氣動(dòng)力學(xué)平衡，使其身體與水平面夾角始終小于寶興樹(shù)蛙。而寶興樹(shù)蛙則更像是在“跳樓”。這一結(jié)果提示樹(shù)蛙的蹼在滑翔過(guò)程中起到重要作用，是支撐滑翔行為的重要性狀。
兩種樹(shù)蛙形態(tài)學(xué)比較與行為學(xué)實(shí)驗(yàn)
兩種樹(shù)蛙蝌蚪發(fā)育時(shí)期的肢體形態(tài)學(xué)比較提示兩者之間存在不同的發(fā)育模式。以兩種樹(shù)蛙高質(zhì)量基因組為基礎(chǔ)，結(jié)合蝌蚪四肢發(fā)育過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)序基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)黑蹼樹(shù)蛙蝌蚪肢體在發(fā)育階段特異共表達(dá)一系列與Wnt信號(hào)通路和血管重構(gòu)相關(guān)的基因。這種發(fā)育時(shí)期特異表達(dá)模式可能通過(guò)參與指和指間區(qū)域生長(zhǎng)速率的調(diào)控對(duì)蹼足的形成起到關(guān)鍵作用。
兩種樹(shù)蛙蝌蚪肢體發(fā)育過(guò)程形態(tài)學(xué)比較與時(shí)序基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析
樹(shù)蛙中調(diào)控角蛋白和細(xì)胞骨架形成的PPL基因受到正選擇，且存在樹(shù)蛙屬內(nèi)保守的氨基酸替換，這可能有助于樹(shù)蛙攀爬相關(guān)性狀——吸盤(pán)的形成。壁虎的剛毛主要由β角蛋白擴(kuò)張形成，而樹(shù)蛙指/趾尖吸盤(pán)的主要結(jié)構(gòu)蛋白為α角蛋白，而α角蛋白同樣是哺乳動(dòng)物和人類(lèi)毛發(fā)纖維最主要的成分之一。“這些祖先角蛋白可能在早期四足動(dòng)物需要皮膚強(qiáng)化的區(qū)域中表達(dá)，而隨后分化為支持兩棲動(dòng)物和哺乳動(dòng)物不同的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)”。
本研究通過(guò)前期大量的野外觀察，整合形態(tài)學(xué)、行為學(xué)和組學(xué)等學(xué)科研究手段，系統(tǒng)解析了“飛蛙”滑翔的遺傳機(jī)制，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)動(dòng)物有趣行為提供新的視角，對(duì)動(dòng)物特殊功能的仿生研究及人類(lèi)并指癥等相關(guān)疾病的防治有重要基礎(chǔ)科學(xué)價(jià)值。
本研究得到中國(guó)科學(xué)院B類(lèi)先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2116342119
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