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        成都生物所揭示青藏高原特有蜥蜴物種體色兩性異型的遺傳進化機制

        2024-03-21 成都生物研究所
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        語音播報

        體色在動物生存、繁殖和個體交流過程中發揮著重要作用。蜥蜴因豐富多彩的體色而聞名于動物界。蜥蜴體色變異不僅存在于物種和種群之間,而且常呈現兩性異型。盡管蜥蜴黑色素產生機制已較為清晰,但紅色、橙色和藍色等色彩尤其是兩性異型體色的遺傳基礎尚不清楚。?

        分布于青海省海南藏族自治州的貴德沙蜥,為探討體色兩性異型的遺傳進化機制提供了理想的研究體系。該物種體色在種內存在明顯的地理變異。位于貴德縣及附近地區(GD)的種群雌雄個體均表現出暗淡的體色,而生活于貴南縣附近的木格灘沙漠生境的種群(GN)卻具有鮮艷的體色并表現出兩性異型,即成年雄性身體兩側呈現橘紅色,而亞成年和成年雌性則展現出青藍色。位于貴德和貴南縣中間地帶-過馬營鎮附近的種群(GM)表現出過渡表型,暗示可能存在基因交流。鑒于GNGD領域分布特征,研究推測GN的體色變化可能受少量基因位點的調控。?

        為了驗證上述推測并揭示貴德沙蜥體色兩性異型變化的遺傳進化機制,中國科學院成都生物研究所副研究員呂彬與研究員齊銀,綜合采用光譜分析方法、透射電鏡技術、液相色譜質譜法、全基因組測序和行為學控制實驗,通過整合多層面跨學科數據分析,探究了沙蜥體色兩性異型的遺傳基礎和進化機制。?

        光譜分析發現,GN、GDGM種群個體之間存在明顯的體色變化。這種變化主要體現在色調和色度方面,且GN種群存在明顯的體色兩性異型。

        皮膚超微結構顯示,GD暗淡的體色特征是因皮膚含有大面積的黑色素;關于GN種群,雌性的青藍色可能是由虹彩細胞層介導的結構色,而雄性的紅色體色可能是由色素細胞層產生的色素色。

        生化分析進一步證實了這一推測,貴德沙蜥體色兩性異型的變化主要是基于表皮中的類胡蘿卜素和蝶啶含量的變化。紅色皮膚一般含有較低的類胡蘿卜素濃度和較高的蝶啶濃度。這為后續分析奠定了細胞和生化基礎。?

        種群遺傳研究發現,GNGD在全基因組水平上的差異較小,揭示其體色改變可能源于幾個主效應基因變異。群體基因組掃描僅鑒定到5個高度變異的基因組區域且不存在性別特異性。其中,一段位于14號染色體上區域引起關注。在這一段長約80kb的區間僅分布4個基因且全部為色素基因。GNBCO2PTS變異可能分別促進黃色類胡蘿卜素裂解和蝶啶(紅色素的前體)的合成和累積,在共同作用下形成了GN雄性的紅色體色。同時,色素生化定量驗證了上述觀點。此外,一個位于2號染色體上的與微管重組和分化相關的基因——MAP7,可能通過控制虹彩細胞來介導雌性的藍色體色。野外觀察發現,只有性成熟的GN雄性才展現出紅色的體色,而亞成體雄性通常和雌性一樣表現為藍綠色。進一步,研究發現,類固醇激素相關基因可能作為上游調控總開關,影響兩性異型色素的形成。除了體色基因,研究還發現通訊感覺相關的基因如視覺、嗅覺等發生了變化,這或是與體色變異協同進化的結果。?

        基因流分析發現,關于過渡區GM種群的遺傳構成,GN的貢獻率約為80%,GD僅為20%,但體色變異相關的等位基因幾乎沒有從GN傳播到GMGD,且整個基因組區域表現出極低的基因交流率。這表明這些體色變異等位基因在沙漠環境中具有優勢。研究通過計算發現GN種群中這些等位基因的分布頻率較高。那么,這些優勢等位基因究竟給沙漠中生活的種群帶來了哪些好處,使其能夠在種群中固定下來??

        為了回答這一問題,科研人員進而通過行為學控制實驗,從自然選擇和性選擇兩方面探討了體色兩性異型對沙漠環境的適應性。在自然選擇方面,視覺建模支持體色兩性異型在沙漠環境中具有較高的偽裝效果,可以提高生存率;在性選擇方面,雌性體色的鮮艷程度是衡量個體質量的重要指標,雄性對藍色的雌性具有偏好性,而雄性競爭觀察表明體色越鮮艷的個體在雄性競爭中獲勝的幾率越大。這揭示了自然選擇和性選擇的共同作用推動了具有潛在選擇優勢的體色變異基因在GN沙漠種群中的固定。?

        上述研究為蜥蜴體色兩性異型的遺傳基礎和演化驅動力提供了新見解,并為跨學科多角度開展科學研究提供了新范例。311日,相關研究成果以Genetic basis and evolutionary forces of sexually dimorphic colour variation in a toad-headed agamid lizard為題,在線發表在Molecular Biology and Evolution。研究工作得到第二次青藏高原綜合科學考察研究、國家自然科學基金、中國科學院“西部之光”人才培養計劃和四川省科技計劃等的支持。

        貴德沙蜥體色變異

        打印 責任編輯:侯茜

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