山雀科鸟类的进化历史及其高海拔环境的适应机制

自然选择是适应进化的主要驱动力，进化过程中环境变化所驱动的强烈选择压力使生命体产生生理、表型或遗传的适应性改变，并在它们的基因组中烙有适应性变异的遗传印迹。由于青藏高原的隆升导致了区域性的气候变冷、氧含量降低和生境开放等环境的剧烈变化，显著影响了当地生物的分布与生存，使青藏高原成为了现今适应性进化研究的热点区域。起源于中国 - 喜马拉雅地区的山雀科（Aves ：Paridae）鸟类是一类具有丰富研究基础的小型雀形目鸟类，不仅具有广泛的水平分布且具有长跨度的垂直海拔分布，是研究高海拔环境适应的理想模式系统。本研究共获得 19 个高低海拔山雀科物种的 87号样本的全基因组重测序数据，以及地山雀
（Pseudopodoces humilis） 和 大山雀（Parus major）胚胎上喙的转录组数据，结合系统发育学、种群遗传学、形态学、进化发育学、比较基因组学和比较转录组学的研究方法，对山雀科鸟类的进化历史、高海拔低氧适应机制、以及青藏高原腹地开放性生境适应机制三部分内容进行了探讨，得到以下结果。

（1）基于全基因组 SNPs 位点的最大似然树和物种树显示了完全一致的拓扑结构， 基 本 支 持 了 现 有 的 山 雀 科 物 种 的 系 统发 育 关 系， 但 确 证 了 颇 有 争 议 的 地 山 雀 分类 地 位， 明 确 了 地 山 雀 与 Machlolophus 属的亲缘关系最近 ；证实了黑胸山雀（Poecile palustris hypermelaenus）是沼泽山雀（Poecile palustris）的亚种，而并非褐头山雀（Poecile montanus）的姐妹种。
（2）发现储食与不储食进化分枝之间的遗传分化主要发生在与外部或非生物因子刺激响应相关的基因组区域。这些高分化区域所蕴含的基因被注释到与大脑和海马体的发育以及对光或声音刺激的感知显著相关，这从遗传上进一步证明了储食与不储食分枝间的分化与储食行为和鸣声有关。
（3） 发 现 山 雀 科 起 源 于 渐 新 世（24.8 Mya），不支持之前提出的中新世起源假说，与青藏高原南部地区的隆升时间（约 35~20 Mya）一致。随后的山雀科分枝多样化发生在晚中新世（8.8~5.1 Mya），与青藏高原横断山区最后的隆升时间（约 10 Mya 至今）相符。
（4）核苷酸多样性的分析发现，相对于其它鸟类（10-3~10-2），山雀科鸟类的遗传多样性非常低（0.073 × 10-3~1.77 × 10-3）。遗传多样性地理分布图显示，西部高海拔山区的山雀的遗传多样性明显低于东亚低海拔地区山雀的遗传多样性。
（5）种群历史动态推断结果显示，大多数的山雀科物种在更新世期间经历了显著的种群波动。且发现了与遗传多样性和第四纪冰川一致的地理分布模式，即大多数西部高海拔山区物种在末次冰期经历了剧烈的种群收缩，而东亚低海拔地区物种却经历了种群的扩张。然而，少数几个物种的种群动态不受冰期活动的影响，结合遗传多样性和残留的分布区，我们推测它们不同的历史种群动态可能是由分布区改变所导致的。
（6）分别从核苷酸、基因和生物学功能水平对山雀科低氧适应机制进行了探讨，通过不同的 Fst 分析发现，高海拔山雀之间没有趋同的核苷酸替代，虽然发现 HBA 基因簇在高海拔山雀中具有高度的分化，但并不是所有物种的 HBA 基因簇中都具有一致性的适应性氨基酸突变。然而，所有高海拔山雀都发现了共性的，许多与呼吸、循环、肌肉以及能量系统相关的低氧适应性基因，尤为与能量系统中的脂代谢相关的基因最多，其中PLB1 在多数高海拔山雀中具有最多的非同义突变的固定位点。

（7）形态特征分析显示，地山雀长而弯曲的喙是青藏高原腹地开放生境的最适应表型。地山雀和大山雀 HH28/29 胚胎上喙的基因表达差异分析发现了 17 个与骨骼发育与形态发生相关的基因，RT-qPCR、原位杂交以及鸡胚的功能试验都验证了 FGF13 和 ITGB3可能通过调节成骨细胞和破骨细胞的分化而影响地山雀喙的形态发生。此外，Fst 和PMT 分析检测到了 7 个基因与骨骼形态发生与重塑相关，但中性检验和功能预测发现只有高度保守的 COL27A1 基因在地山雀中遭受了强烈的正选择，且其功能域的 R1493Q 和P1501L 突变被预测可能导致其蛋白功能的改变。
综上所述，青藏高原隆升不仅影响山雀科鸟类的起源与多样化，且通过其驱动的环境变化影响山雀科鸟类的地理分布及其内在的基因组印记，使高海拔山雀具有与低海拔山雀完全不同的种群历史，使高海拔山雀产生生物学功能水平趋同的低氧适应机制，也使高原特有种地山雀形成特化的多基因、多水平调控的喙型。进化历史和自然选择的综合作用最终导致了山雀科鸟类低水平的遗传多样性。
（中科院动物所博士生 ：程亚林，导师 ：雷富民）