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PNAS:中科院昆明动物所车静研究组等通过群体基因组研究揭示青藏高原高山倭蛙物种形成分化及

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摘要 : 2018年5月10日,国际著名学术期刊《美国科学院院刊》在线发表了中国科学院昆明动物研究所动物进化与遗传前沿交叉卓越创新中心车静研究员与张亚平院士、加州大学伯克利分校David Wake院士等7个国内外团队的合作研究成果

2018年5月10日,国际著名学术期刊《美国科学院院刊》在线发表了中国科学院昆明动物研究所动物进化与遗传前沿交叉卓越创新中心车静研究员与张亚平院士、加州大学伯克利分校David Wake院士等7个国内外团队的合作研究成果,研究揭示了高原极端环境条件下物种形成、群体分化的遗传学基础,并探讨了选择和适应在物种形成过程中的重要作用。昆明动物所王国栋研究员和博士生张宝林为本文的共同第一作者,车静研究员、张亚平院士和David B. Wake院士为本文的共同通讯作者。

车静课题组长期活跃在青藏高原,致力于探索高原极端环境下两栖爬行动物物种的形成演化、极端环境适应的进化遗传基础等重要问题。2014年,课题组报道了青藏高原特有两栖类——高山倭蛙线粒体谱系分化(Zhou et al., 2014),发现存在明显的地理结构,如东、西两个主要支系,其中东部支系内存在一定的高低海拔分化情况。此外,课题组通过对高山倭蛙微卫星数据分析与线粒体比较结果以及参考国内其他课题组(如Liu et al., 2015)的相关报道,发现在线粒体东、西支系的交界处存在基因渐渗情况。随后,通过与国内外多个学科组合作,成功解析了高山倭蛙的基因组(Sun et al., 2015),该基因组为后续研究该物种群体分化及高原适应性提供了重要基础。

本项研究在前期基础上选取了高山倭蛙分布范围内63个居群样品进行了全基因组重测序,数据分析发现:

1)东、西群体基因组中大部分区域已经出现明显隔离且不能发生基因渗透,支持两个物种的分化。目前研究支持二者交界处的一条狭长河谷为杂交带区域。通过对杂交带的基因组分析显示,东、西之间仅存在有限的基因交流,且杂交渗透片段短,随机散布在整个基因组中,渗透区域无明显的选择信号,提示可能发生了一次较为古老的基因交流。对东、西基因组高分化区域的分析发现与生殖相关的基因发生了显著富集。以上结果均提示高山倭蛙东、西居群之间已存在遗传上的生殖隔离,应为两个不同的物种,进一步分析提示选择作用在物种形成过程中扮演了重要角色;

2)东部物种呈现明显的“低-高-低-高”海拔的遗传分化模式,通过比较基因组和实时荧光定量PCR分析,发现与环境相关的基因,如血管循环,低氧应答,紫外应答等受到正选择和差异表达。这与我们获得的形态及生理数据一致,例如,高、低海拔居群的皮肤组织结构中的颗粒腺数量存在显著差异,高海拔居群的血红蛋白含量要显著高于低海拔的含量。这些结果提示高原适应在东部群体的分化过程中起了重要作用。

PNAS:中科院昆明动物所车静研究组等通过群体基因组研究揭示青藏高原高山倭蛙物种形成分化及
高山倭蛙生活照(王剀摄)

PNAS:中科院昆明动物所车静研究组等通过群体基因组研究揭示青藏高原高山倭蛙物种形成分化及
图注:高山倭蛙基因组重测序采样分布图(左)以及群体历史分析(右)。左图:绿色W为高山倭蛙西部居群;灰色H为杂交带个体;E为东部居群,其中E1和E3为低海拔居群(2900m~3300m),E2(3900m~4900m)和E4(3700m~4500m)为高海拔居群

PNAS:中科院昆明动物所车静研究组等通过群体基因组研究揭示青藏高原高山倭蛙物种形成分化及
图注:东部高、低海拔个体皮肤颗粒腺含量(左图)和外周血血红蛋白浓度比较(右图)

原文链接:

Selection and environmental adaptation along a path to speciation in the Tibetan frog Nanorana parkeri

原文摘要:

Tibetan frogs, Nanorana parkeri, are differentiated genetically but not morphologically along geographical and elevational gradients in a challenging environment, presenting a unique opportunity to investigate processes leading to speciation. Analyses of whole genomes of 63 frogs reveal population structuring and historical demography, characterized by highly restricted gene flow in a narrow geographic zone lying between matrilines West (W) and East (E). A population found only along a single tributary of the Yalu Zangbu River has the mitogenome only of E, whereas nuclear genes of W comprise 89–95% of the nuclear genome. Selection accounts for 579 broadly scattered, highly divergent regions (HDRs) of the genome, which involve 365 genes. These genes fall into 51 gene ontology (GO) functional classes, 14 of which are likely to be important in driving reproductive isolation. GO enrichment analyses of E reveal many overrepresented functional categories associated with adaptation to high elevations, including blood circulation, response to hypoxia, and UV radiation. Four genes, including DNAJC8 in the brain, TNNC1 and ADORA1 in the heart, and LAMB3 in the lung, differ in levels of expression between low- and high-elevation populations. High-altitude adaptation plays an important role in maintaining and driving continuing divergence and reproductive isolation. Use of total genomes enabled recognition of selection and adaptation in and between populations, as well as documentation of evolution along a stepped cline toward speciation.

doi:10.1073/pnas.1716257115

作者:车静 点击:

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