适应性演化的分子遗传机制：以高海拔适应为例

自达尔文时代起,解析适应性演化的机制一直是进化生物学和生态学领域研究最重要的科学问题之一。适应性演化通常指在自然选择驱动下,物种为提高适合度而演化出特定的表型。表型的适应表现在形态、生理生化、组织学、行为学等多个层级。随着分子生物学和测序技术的发展,越来越多的研究揭示了适应性复杂性状的遗传基础。研究适应性演化的分子遗传机制有助于理解塑造生物多样性的进化驱动力以及阐明基因型、表型和环境之间的关联关系。目前已有主效基因、超基因、多基因遗传、非编码区调控、重复序列调控、基因渐渗等多种假说可以解释适应性演化的遗传机制。高海拔极端环境的强选择压力极大地促进了物种表型和遗传适应的发生,对多组学数据的剖析为物种适应性演化提供了新的见解。本文对适应性演化的遗传机制、高海拔极端环境适应研究进展以及目前面临的主要挑战进行了综述,并对未来的发展趋势进行了展望,以期为该领域的科研人员提供参考。     

两栖爬行动物的高海拔适应性演化:现状与展望

高海拔极端环境具有低温、低氧、强紫外等特点,加之复杂的地质历史、独特的地形地貌等环境因素,为开展生物适应性演化研究提供了天然实验室.作为变温动物(poikilotherm)的代表类群,两栖爬行动物是高海拔生物区系中重要的组成部分,已知物种最高海拔分布可达5300 m.前期研究显示两栖爬行动物代表物种在生理、形态及生活史等方面进化出一系列表型特征,以适应高海拔环境.近年来,随着新一代测序技术的发展,从基因组水平探讨高海拔适应的分子机制成为可能,并取得了突破性进展,尤其是青藏高原地区代表性两栖爬行动物基因组的解析,标志着两栖爬行动物适应性演化研究进入了一个新的时代.本文总结分析了目前表型研究已取得的成果,重点分析和讨论了分子机制的研究进展.展望未来,以下几个方面研究将是发展的重点:表型组学(phenomics)的建立;表型组和基因组(genomics)的关联分析;遗传变异的功能分析及实验体系的建立.高海拔适应性研究已成为两栖爬行动物适应性演化研究领域的开拓性工作和范例.     

血红蛋白与脊椎动物高海拔适应进化

高海拔环境是研究脊椎动物对极端环境适应进化过程的典型范例之一.血红蛋白在脊椎动物呼吸和氧化能量代谢中的核心作用决定了其无论在进化生物学还是高原医学研究领域都有着极其重要的意义.然而,如果不清楚研究对象的系统进化地位和机体本身的适应进化特点,就无法对各个水平的适应进化机制作出全面诠释.因此,对脊椎动物的低氧适应进化研究首先从机体生理需求的差异出发.此外,血红蛋白的功能适应性还表现在物种或种群间的空间分布差异导致不同程度的低氧需求.因此,本文从个体和系统发育水平评述了血红蛋白的分子进化及功能适应研究,深入比较了长期定居和短期移居物种间的适应机制区别,系统分析了鸟类及其他脊椎动物适应高海拔低氧环境的趋同和趋异进化特征.最后通过评价不同研究方法的优缺点,结合功能蛋白和物种进化相似的分子遗传规律,为未来高海拔低氧适应进化及高原医学研究提出一些新的思考.总之,本文支持功能验证在适应性进化相关基因研究中的必要性,强调整合分子、细胞和系统水平确定研究方案的重要性,以及系统发育背景和种群进化历史在研究对象选择中的重要意义.     

林木全基因组关联分析研究进展与展望

随着新一代基因组测序技术的快速发展,全基因组关联分析(genome wide association study, GWAS)在揭示林木复杂性状的数量遗传变异规律、解析关键基因的遗传调控机制及推动林木分子辅助育种等方面展示出前所未有的应用前景.本文首先综述了GWAS的核心理论、研究方法及其在木材性状和适应性遗传基础研究中的研究进展.随后,针对林木数量性状遗传研究中普遍存在的"丢失遗传力"(missing heritability)问题,本文从高通量表型组学平台的组建,多种遗传标记的联合利用,多组学数据的系统剖析以及加性、显性与上位性关联模型的开发等方面提出了未来GWAS的发展对策.最后,结合当前林木遗传改良的实践需求,展望了GWAS策略在林木分子育种领域的广阔应用前景.     

栖息于青藏高原不同海拔环境的两种草原毛虫miRNA转录组的比较分析

有关动物适应异质性海拔环境的研究,已在表型、解剖学、生理学、基因组学和转录组学等方面广泛开展,但是很少关注小RNA(micro RNAs或miRNAs)的生态适应性功能.草原毛虫是青藏高原高寒草地的重要害虫,并对不同海拔环境产生了良好的适应性.为此,本研究以两种栖息于青藏高原不同海拔环境的黄斑草原毛虫和门源草原毛虫为研究对象,基于Illumina Hi Seq技术对这两种草原毛虫的miRNA转录组进行了高通量测序.结果表明,两种草原毛虫中共鉴定到109个成熟miRNAs,其中47个为保守miRNAs.在所有miRNAs种,共有9个miRNAs的表达水平在两种草原毛虫间存在显著差异性.对这9个差异性表达的miRNAs采用实时荧光定量PCR进行验证,发现8个基因的表达水平与高通量测序结果完全一致.功能分析表明,差异性表达的miRNAs共预测到93个靶基因.这些靶基因主要富集到脂、核酸和维生素等代谢或衰老相关的GO条目,并与代谢、抗寒和低氧等KEGG通路相关(如AMPK信号通路、Wnt信号通路和m TOR信号通路).这些研究表明,miRNAs在草原毛虫对异质性海拔环境的适应性进化过程中具有重要作用.该研究加深了对青藏高原特有昆虫适应高海拔环境的遗传基础的理解.     

昆虫对环境低氧的适应:生理和分子机制研究进展

氧是机体进行新陈代谢和维持生存的必要因素。低氧环境在自然界普遍存在,也是许多重大疾病(如癌症)发生过程中基本的病理生理特征。生物包括昆虫在其生存和发育过程中经常面对低氧的挑战,它们发展出了各自的适应策略以求得生存和繁荣壮大。昆虫对于低氧环境适应包括在气管系统通气量、气体交换模式、体型大小和发育时间等生理机制上的改变。为揭示昆虫低氧适应机制,研究人员针对不同昆虫采用了来自人工选择或者自然选择的品系(种群),使用了基因芯片表达和转录组测序、基因组重测序技术和基因操作等技术。基于这些方法研究发现,在分子机制方面,昆虫可以通过抑制能量代谢、提高氧气利用率来适应低氧环境;还可以通过胰岛素通路、低氧诱导因子(HIF)信号通路等来调节自身代谢活动从而适应环境低氧;除此之外,昆虫的气管系统可以在基因调控下通过代偿性生理和形态变化来适应低氧环境。昆虫低氧适应机制的研究为探求昆虫数亿年进化过程中体形改变、物种形成、种群动态等提供提供新的视野,也增进对动物应对低氧或缺氧机理的深入理解,特别是为研究人类重大疾病的发生提供重要启示。     

鱼类经济性状遗传解析及分子育种应用研究

人类需要不断改良养殖鱼类的生产性状以提供更多优质的动物蛋白.鱼类的经济性状由多基因的数量性状位点所控制,其中大部分基因是微效的,但是少数基因可能具有决定性的影响.基于近10年来遗传学和基因组学研究中的主要进展,本文简要介绍和评述一些重要养殖鱼类在生长、抗病(逆)、性别等经济性状开展分子育种基础和应用研究的状况,探讨组学和下一代测序技术在鱼类经济性状遗传解析和分子设计育种中的应用潜力.这些研究有助于最终揭示鱼类经济性状的遗传调控机制并将相关研究成果应用于养殖鱼类目标性状的遗传改良.     

蚜虫翅的响应

最新研究表明,与雄性蚜虫有翅和无翅多态性有关的一个基因的变异也和雌性蚜虫的相同性状的可塑性相联系。这个令人吃惊的发现表明,因遗传因素和环境因素而引发形态变异的生物体,是解开生物体表型可塑性之谜的有用的模式系统。长期以来,我们已经认识到表型可塑性的普遍重要性。作为对环境变异的响应而改变遗传发育过程的能力,表型可塑性是一种应付可预见的环境变异的有效手段,但是我们对其中的机制却不甚了解。英国科学家ChristianBraendle领导的小组正在研究的课题是表型可塑性性状和遗传控制多态性性状之间的关系,是否调控遗传多态性性状…     

不同海拔饲育的麦洼牦牛肺脏组织转录组学分析

为了探讨牦牛适应高海拔低氧环境的基因表达特征与规律,对在高海拔（3 560 m）和低海拔地区（478 m）饲育4个月的2.5~3岁健康雄性麦洼牦牛肺组织进行转录组测序。转录组测序采用Illumina高通量测序平台(HiSeqTM2500/4000)进行,并以qRT-PCR验证差异表达基因的表达量。结果显示,高海拔组牦牛肺脏转录组平均每个测序样本得到约5.76亿条Clean Reads,低海拔组牦牛中得到约6.10亿条Clean Reads,比对到参考基因组上的Reads数分别占91.74%和91.28%以上,共发现了2 047个新转录本。低海拔组与高海拔组牦牛肺脏组织之间共有199个差异表达基因,其中含89个差异上调表达基因和110个差异下调表达基因。所得差异表达基因富集在297个GO条目和146个KEGG通路中,包含62个低氧适应相关的GO条目和35个低氧适应相关代谢通路。其中低氧适应相关GO条目在生物过程、细胞组成和分子功能三种类别中占比最多的分别为细胞粘附、蛋白复合物和钙离子结合。低氧适应相关KEGG通路中占比最多的为肿瘤坏死因子(TNF)信号通路,其次为低氧诱导因子1(HIF-1)信号通路。qRT-PCR验证结果显示,Ⅱ类人类白细胞抗原α链(HLA-DOA、HLA-DRA)、补体因子 (C2)和甘露糖结合凝集素相关丝氨酸蛋白酶1（MASP1）基因的表达量变化与转录组测序结果相符。本研究为全局和深入理解牦牛肺组织转录本表达对高海拔低氧的响应提供了有价值的切入点。     

湖南白檀居群形态多样性及与环境的相关性

为了解白檀在湖南地区不同环境的适应性及遗传变化程度,对湖南地区6个白檀天然居群的189个个体的11个表型性状进行形态遗传多样性分析。结果表明,11个表型性状均具有丰富的遗传多样性(H'=1.389),居群间的平均方差分量为52.60%,居群内的平均方差分量为37.03%,说明在白檀形态性状多样性分布上是居群间多样性程度大于居群内,即居群间的形态变异是白檀形态变异的主要来源。聚类分析结果表明,6个居群的表型性状并没有严格依地理距离聚类,主成分与相关分析结果显示在11个表型中树型因子是主要形态变异因子,年降雨量与树型因子呈显著正相关,其他表型变异受遗传的影响可能大于受环境的影响。     

中华蜜蜂种群遗传分化与环境适应机制研究进展

中华蜜蜂Apis cerana cerana是我国十分关键和重要的传粉媒介昆虫，在不同栖息地中广泛分布，表现出飞行敏捷、采蜜期长和适应性强等优点。但近些年中华蜜蜂正面临前所未有的种群多样性下降，为保护这些特定的中华蜜蜂种群的遗传资源，研究人员基于几何形态学、分子生物学和基因组学等技术手段对中华蜜蜂遗传分化和环境适应机制进行了研究，而在我国这些多样化的中华蜜蜂种群为揭示其种群适应性进化规律提供了绝佳材料。本文从中华蜜蜂种群遗传分化与环境变化的相关性、形态变异与环境适应、环境适应性生理和行为改变及这些表型变化的遗传机制4个方面综述了相关研究进展。研究发现，物理屏障和生态环境的变化，特别是海拔和纬度相关环境变化是造成中华蜜蜂种群分化的主要原因。气候因子中，温度、氧气、辐射和湿度等对中华蜜蜂环境适应性的形态发育和生理生态特征产生重要影响。形态特征的变化主要体现在体型大小和体色上，代谢生理和行为改变是其环境适应的重要策略。基于现代基因组学和分子生物学技术的种群遗传学和种群基因组学研究发现，与社会分工行为、学习感知行为、信息感知、生长发育、温度适应和代谢等相关的基因或通路受到自然选择作用，这为中华...     

性腺母细胞瘤的分子遗传机制研究进展

性腺母细胞瘤(Gonadoblastoma, GB)是一种由性索和生殖细胞演化而来的罕见原位性腺肿瘤,与性腺遗传物质异常有密切联系。80%的GB患者表现为46,XY女性表型,其余为45,XY 和46,XX性别发育异常患者等。35%的GB会进一步演化为无性细胞瘤和精原细胞瘤等恶性肿瘤。由于表型与遗传的异质性,GB的分子遗传机制还未完全揭示。越来越多的研究显示GB的发生与性别分化和决定调控基因(如SRY、WT1、SOX9、Foxl2和TSPY等)之间存在密切关联,且表现出遗传与表观遗传调控相互作用。本文综述了GB的临床表现、病理特征、诊断与治疗措施,总结了性腺遗传异常导致GB的分子遗传与表观遗传调控机制,分析并归纳参与GB形成相关基因的共同表达调控网络,指出了当前研究中的障碍与不足,为进一步研究GB致病分子机制提供新思路。     

大熊猫演化保护生物学研究

研究珍稀濒危动物的演化历史、濒危机制及适应性演化对策,既是保护生物学研究的重大科学问题,也是国家生态文明建设和生物多样性可持续发展的重大需求.大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)是探讨物种濒危灭绝及适应性演化机制的理想模型.本研究团队率先将种群基因组学和宏基因组学等新技术引入大熊猫研究中,开拓了濒危动物种群基因组学与宏基因组学研究领域,系统阐明了大熊猫的种群历史、濒危原因、适应性演化机制与演化潜力等科学问题.以大熊猫为模型揭示了食性特化动物类群在食性转换和特化历程中如何在形态、行为、生理、遗传和肠道微生物等方面产生适应性演化的规律,积极推动了国家大熊猫放归和栖息地廊道建设工程的实施.     

牛、绵羊角的遗传定位及遗传机制研究进展

角属于动物颅骨附属物,为反刍动物所特有。牛(Bos taurus)、绵羊(Ovis aries)角的表型包括野生型两角表型、人工驯化的无角表型、畸形角等多种。牛和绵羊是阐明角的质量性状和数量性状之间的关系以及质量性状的多基因调控机制等方面的理想动物模型。近年来,对角性状研究不断深入,在阐明新器官起源进化、自然选择、性别选择和人工选择对角表型的影响等方面取得了一系列进展。本文详细介绍了角的研究概况、多角表型遗传定位、无角位点基因遗传定位和畸形角等,并对目前牛和绵羊角的遗传机制及存在的问题进行了分析,以期为反刍动物角性状和其他特异性性状遗传机制研究提供参考。     

家鸡全基因组测序研究进展

鸡具有独特的生物学特性。全基因组测序是即对一种生物的基因组中的全部基因进行测序,主要包括de novo测序和全基因组重测序。近年来,由于测序技术的飞速发展,鸡全基因组研究取得了很多重要的进展,为解释鸡的生物学特性和缩短分子育种周期发挥了重要作用。重点阐述了不同品种鸡全基因组de novo测序的完成、全基因组重测序技术在解析品种遗传多样性、揭示进化机制、质量性状遗传机制广泛应用,讨论了鸡全基因组测序工作存在的问题及其展望,旨在为家鸡种质资源的改良和分子育种提供重要的参考资料。     

温度对福寿螺生物学特性的影响及高低温适应机制研究进展

在全球气候变化背景下, 福寿螺在我国及全球进一步扩散。极强的生态耐受力及快速适应力是福寿螺能够在入侵地区迅速扩散的重要原因。其中, 环境温度对福寿螺的生存、生长、发育及繁殖至关重要, 是影响福寿螺分布、扩散及暴发的重要因素之一。文章在综述温度耐受范围的基础上, 总结了福寿螺高低温适应的生理生化及分子机制, 并对从温度适应性角度揭示入侵机制的研究前景进行展望。当前, 福寿螺温度适应的生理生化机制研究主要针对化合物以及相关酶活性变化开展, 分子机制研究主要集中在HSP基因的表达差异上。在染色体水平基因组完成测序的基础上, 福寿螺快速适应性进化的生理生态耐受性机制和表型可塑性机制有待深入开展。     

动物趋同表型分子遗传和演化机制的研究进展

远缘物种间相似性状的发生,称为趋同进化,在自然界中是比较常见的.这些趋同表型的发生被广泛认为是通过提高适合度促进了远缘物种对所处相同或相似环境的适应性.越来越多的研究表明,相似或相同的遗传变异对趋同表型的起源和演化起了关键性作用.随着基因组数据的不断增加,一些研究者从基因组范围系统性分析了趋同表型与趋同的分子变异之间的关系,全面解析了趋同表型的分子演化机制,鉴定出了许多与趋同表型密切相关的经历趋同演化的基因.尽管如此,从严格意义上检测分子水平上的趋同变异是否受到达尔文自然选择的作用还是非常困难的.除了需要满足趋同位点能够导致基因功能的趋同变化以外,更为关键的是需要证明这些分子层面的趋同确实能够导致趋同表型的产生,并显著增加经历趋同演化物种的适合度.     

藏鸡高原适应性的胚胎心脏组织差异表达研究

氧是机体及细胞进行有效能量代谢不可缺少的物质,低氧使机体及细胞的生理发生改变。藏鸡是我国青藏高原特有的原始地方鸡种,是世界上在高原生活历史最久的鸡种,对低氧具有稳定遗传的适应能力。在本研究中,藏鸡的全同胞种蛋分别在常氧和低氧的条件下进行孵化,寿光鸡和矮小隐性白鸡两个低地鸡种为对照,在胚胎发育的第43期取其心脏组织,与鸡的全基因组芯片杂交研究藏鸡高海拔适应的分子机理。结果表明,50个转录本在低氧的条件下表达上调,其中一些基因与细胞生长、细胞分化、肌肉收缩等密切相关;而21个转录本在常氧的情况下表达上调,这些基因主要参与细胞交流、离子运输、蛋白质的氨基酸磷酸化、信号转导等过程.有趣的是,这些差异表达基因的富集功能主要与应激过程中的免疫系统应答和离子通道行为有关。另外,层级聚类和CPP-SOM分析结果表明,藏鸡的表达模式与寿光鸡比较接近,而与矮小隐性白鸡的表达图谱相差较远。值得注意的是,本研究还筛选到12个藏鸡特异性表达的转录本。它们主要参与了能量代谢,转录时的基因启动及抑制胚胎发育的异常等过程。这些发现将有助于解释藏鸡适应高原生活的分子机制,同时,心脏组织的全基因组表达图谱也为高原医学的研究提供了线索。     

高海拔低氧对孕期胎儿发育的影响及原因分析

高海拔地区的低氧是造成孕期胎儿低氧的重要因素。环境低氧促使母体通过生理性调节使其能够利用有限的氧来维持母体以及胎儿内环境的相对稳态,并提供胎儿发育所需要的氧。本文就近年来有关高海拔地区低氧环境对孕期胎儿发育影响的研究进行总结,并从高海拔地区胎儿出生体重特征、母体生理功能的变化、遗传及胎盘影响因素等方面分析高海拔低氧影响孕期胎儿发育的原因,以期为生活在高海拔环境下妇女生育保健及由慢性低氧所致胎儿发育生长障碍的治疗以及干预提供参考。     

利用转录组数据分析高原鼢鼠和裸鼹鼠基因的趋同进化

地下鼠由于长期适应于地下洞道生活,在诸多生物学特征上都产生了一定的趋同进化现象,但目前尚未在分子水平分析其趋同进化特征。本研究利用高通量测序数据,从氨基酸位点变化和基因表达量水平,分析两种亲缘关系较远的地下鼠--高原鼢鼠和裸鼹鼠的趋同进化。氨基酸位点变化分析显示,两种地下鼠的54 个基因都存在至少一个理论趋同进化位点,其中13 个基因可以找到相对明确的表型功能注释。基因表达量分析显示,两种地下鼠在转录组水平的总体表达模式上存在趋同效应;有103 个基因在两种地下鼠脑中的表达量是作为对照的地上鼠(小鼠、豚鼠)表达量的3 倍以上,其中有20 个基因可以找到相对明确的表型功能注释。本研究的结果表明,高原鼢鼠和裸鼹鼠为了适应地下生活方式,在氨基酸序列和基因表达量水平上都产生了一定程度的趋同进化。其中,低氧适应相关基因(氧运输、氧代谢、DNA 修复等)是地下鼠进化适应的最重要组成部分,挖掘器官(尤其是肌肉)功能相关基因的重要性次之,能量代谢及平衡相关基因也是地下鼠适应性进化的关键要素。