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兩棲爬行學分會副主任委員——李家堂研究員團隊揭示“飛蛙”滑翔的遺傳機制
動物復雜性狀是動物長期適應(yīng)演化的結(jié)果，是動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化策略以適應(yīng)不同的棲息地，如高原、海洋、荒漠等。部分類群通過演化出了特殊的表型以適應(yīng)樹棲生活。樹棲生活拓展了這些物種對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)境復雜的立體結(jié)構(gòu)也對動物的運動能力提出了嚴苛的要求。
在白堊紀末期大規(guī)模物種滅絕事件后，無尾目多個科的物種獨立演化出了攀爬和滑翔的相關(guān)表型，并成功拓殖樹棲生態(tài)位，黑蹼樹蛙就是其中的代表性物種。黑蹼樹蛙隸屬于樹蛙科，常年生活在熱帶雨林樹冠層，是典型的樹棲蛙類。據(jù)報道，其最高棲息高度達57米，為目前樹棲蛙類停留高度的最高記錄。黑蹼樹蛙具有強大的滑翔能力，因此又被稱為“飛蛙”，為揭開兩棲動物樹棲適應(yīng)之謎提供了良好的動物模型。
近日，中國科學院成都生物研究所李家堂研究團隊等以云南西雙版納地區(qū)的“飛蛙”——黑蹼樹蛙為研究對象，通過多維度研究手段，闡明了其攀爬和滑翔行為相關(guān)表型的遺傳機制。該研究成果以“Genomic adaptations for arboreal locomotion in Asianflying treefrogs”為題在《美國科學院院刊》以封面論文形式發(fā)表。
研究團隊選擇了蹼發(fā)達的黑蹼樹蛙（滿蹼）和寶興樹蛙（微蹼）開展行為學實驗。研究人員分別設(shè)置了1，1.5和2米的高臺，讓兩種樹蛙分別落下并記錄運動軌跡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑蹼樹蛙在下降過程中會盡力撐開四肢，依靠滿蹼維持空氣動力學平衡，使其身體與水平面夾角始終小于寶興樹蛙。而寶興樹蛙則更像是在“跳樓”。這一結(jié)果提示樹蛙的蹼在滑翔過程中起到重要作用，是支撐滑翔行為的重要性狀。
兩種樹蛙形態(tài)學比較與行為學實驗
兩種樹蛙蝌蚪發(fā)育時期的肢體形態(tài)學比較提示兩者之間存在不同的發(fā)育模式。以兩種樹蛙高質(zhì)量基因組為基礎(chǔ)，結(jié)合蝌蚪四肢發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，通過時序基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)黑蹼樹蛙蝌蚪肢體在發(fā)育階段特異共表達一系列與Wnt信號通路和血管重構(gòu)相關(guān)的基因。這種發(fā)育時期特異表達模式可能通過參與指和指間區(qū)域生長速率的調(diào)控對蹼足的形成起到關(guān)鍵作用。
兩種樹蛙蝌蚪肢體發(fā)育過程形態(tài)學比較與時序基因共表達網(wǎng)絡(luò)分析
樹蛙中調(diào)控角蛋白和細胞骨架形成的PPL基因受到正選擇，且存在樹蛙屬內(nèi)保守的氨基酸替換，這可能有助于樹蛙攀爬相關(guān)性狀——吸盤的形成。壁虎的剛毛主要由β角蛋白擴張形成，而樹蛙指/趾尖吸盤的主要結(jié)構(gòu)蛋白為α角蛋白，而α角蛋白同樣是哺乳動物和人類毛發(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物需要皮膚強化的區(qū)域中表達，而隨后分化為支持兩棲動物和哺乳動物不同的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)”。
本研究通過前期大量的野外觀察，整合形態(tài)學、行為學和組學等學科研究手段，系統(tǒng)解析了“飛蛙”滑翔的遺傳機制，為人類認識動物有趣行為提供新的視角，對動物特殊功能的仿生研究及人類并指癥等相關(guān)疾病的防治有重要基礎(chǔ)科學價值。
本研究得到中國科學院B類先導科技專項、國家自然科學基金等項目的資助。原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2116342119
來源：
兩棲爬行學分會
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中國野生動物保護協(xié)會
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