黄梨科学奖,动物研究所揭穿大黑白猫和小大浣熊趋同演化的遗传学机制

参考文献:

  1. Hu, Yibo, et al. “Comparative genomics reveals convergent evolution
    between the bamboo-eating giant and red pandas.” Proceedings of the
    National Academy of Sciences 114.5 (2017): 1081-1086.
  2. Zhu, Lifeng, et al. “Evidence of cellulose metabolism by the giant
    panda gut microbiome.” Proceedings of the National Academy of
    Sciences 108.43 (2011): 17714-17719.
  3. “2016年我国人工繁育大熊猫种群总数已达464只” 新浪新闻中心 (2017)

澳门十大博彩官网,更多关于菠萝科学奖的趣味解读,请戳专区:

奥门云顶娱乐 1 

熊猫和小熊猫属于食肉目不同的科:大熊猫属于熊科、而小熊猫属于鼬超科中的小熊猫科,二者分歧已有4000多万年。尽管其系统发育关系较远,它们却演化出相同的食竹食性,低营养、高纤维的竹子占其食物组成的90%以上;更为有趣的是,这两种熊猫的前掌还演化出一个特殊的结构——伪拇指,以帮助抓握竹子,是适应性演化和趋同演化的经典案例。科学散文作家斯蒂芬·古尔德在其1980年出版的著名科学散文集The
Panda’s Thumb

中专门讨论了大熊猫伪拇指的演化,引起大众对熊猫伪拇指的广泛关注。然而,伪拇指形成的分子机制一直难以揭示。

多长一根手指,只为了抓紧你

大熊猫作为熊科动物中的异类,不光是个素食主义者,还比其他的熊多长了一根手指——伪拇指。同样吃竹子的小熊猫也有这根伪拇指。不过,虽然都叫熊猫,但它们是八竿子都打不着的远房亲戚。四千多万年前,大熊猫和小熊猫就分别踏上了各自不同的演化之路。今天,大熊猫属于熊科,是其他熊类的近亲;而小熊猫和鼬是近亲。那么并不怎么亲近的两种“熊猫”,为什么都多长了根手指呢?
当然是为了更方便地吃竹子!

奥门云顶娱乐 2萌萌的熊猫掌。

澳门赌博网站排名,奥门云顶娱乐,这根手指其实并不是真的手指,而是增生膨大的腕部籽骨。因为大熊猫和小熊猫几乎都靠吃竹子为生,这根多出来的拇指能够帮助它们极其灵巧的抓取竹子。这其实是一种典型的趋同演化现象。趋同演化,简单来说,就是两种亲缘关系较远的动物,在适应相似的环境的过程中,演化过相同或相似的性状。

为了探明这两种熊猫趋同演化的遗传学机制,中国科学院动物研究所魏辅文研究团队对野生小熊猫进行了全基因组测序,并将结果发表在今年年初的美国科学院院刊上。研究人员在比对了小熊猫的基因组序列与重新组装的大熊猫的基因组序列之后,发现了70个在演化中经历了相同改变的基因。这其中就包括两个参与四肢发育的基因:DYNC2H1

PCNT。在小鼠和人类身上,这两个基因的突变能导致包括多指在内的骨骼和肌肉异常。研究人员推测,这两个基因很可能就是大小熊猫们多长一根手指的“幕后推手”。同时发现的,还有7个参与蛋白质消化和维生素吸收利用的基因也发生了相同的改变。这些基因的变化可能促进了熊猫们更有效率地吸收竹子中有限的营养。

奥门云顶娱乐 3左-大熊猫和北极熊是近亲,而小熊猫的亲戚是鼬。右-小熊猫和大熊猫的前掌,灰色部分为伪拇指。图片来源:参考文献1

该研究结果于1月17日在线发表在《美国科学院院刊》(PNAS)杂志上。动物所动物生态与保护遗传学研究组副研究员胡义波和吴琦、博士生马帅和马天笑为论文的共同第一作者,魏辅文为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院的资助。

获奖团队:

奥门云顶娱乐 4

 

趋同演化是演化生物学研究的热点问题,是指两个或多个系统发育关系较远的物种,演化出相同或相似的表型性状以适应相似的环境选择压力。尽管自然界中存在很多趋同演化的现象,但关于趋同演化的遗传学机制研究却很少。传统的趋同演化机制研究主要采用候选基因的方法,而随着基因组学的发展,在基因组水平能更加全面深入地揭示趋同演化的遗传学机制。

奥门云顶娱乐 5

动物所揭示大熊猫和小熊猫趋同演化的遗传学机制

身体不够,微生物来凑

虽然吃素,但从分类学来看,大熊猫却属于食肉目。它们拥有典型的食肉目动物的消化系统。大熊猫的肠道大概是身体的4倍长,这和普通的食肉目动物(比如阿猫阿狗)差不多;相对的,植食性动物,比如野牛或者羊驼,它们的消化道往往是身体的10-20倍。

但是,胃肠道也只是食物消化能力的一个因素,还有一个非常重要的因素,一直被忽视,直到近年才开始备受关注:肠道微生物。动物身上生活着数以十亿计的微生物。以人类为例,体表和体内生活的微生物数量比人体细胞总量的10倍还要多。动物吃下去的食物,在进入肠道之后,会在微生物的代谢作用下,分解出更多的营养物质进入消化系统,因此食物消化和营养的吸收和肠道微生物息息相关。对于肉食性动物来说,食物中包含大量的蛋白质,能够比较容易地被分解为氨基酸并进一步吸收;而植食性动物吃下去的植物中包含大量动物消化系统无法消化的纤维素,因此要依赖共生的肠道微生物,需要靠它们将纤维素分解后才能吸收其中的营养。

2011年魏辅文研究团队另外一项同样发表在美国科学院院刊上的研究发现,和植食性动物相似,野生大熊猫肠道中有大量的厚壁菌门细菌。厚壁菌门,尤其是其中梭菌纲的很多细菌,都具有分解纤维素的能力。此外,这项研究还对提取的大熊猫肠道微生物的基因进行了鉴定分析,发现了消化纤维素和半纤维素的基因。大熊猫肠道微生物整体的基因功能和牛,小袋鼠,白蚁以及人类类似,但比起植食性动物,大熊猫纤维素酶和内源性半纤维素酶的基因丰度是最低的。这说明大熊猫的肠道微生物虽然在一定程度上适应了它们以竹子为主的食性,但对植物中营养的利用率还是比不上“血统纯正”的植食性动物。

奥门云顶娱乐 6熊猫:就爱吃竹子

尽管多出一根拇指能灵巧地抓住竹子送进嘴巴,再加上肠道菌群的帮忙,让野生大熊猫在良好自然的生境中只靠竹子就能健康地成长和繁衍。但消化效率低下仍然使得野生大熊猫每天需要花费几乎一半的时间来进食竹子,保证营养的供给。不过可喜的是,据调查统计,2016年野生大熊猫已达到1864只,而圈养的大熊猫有464只。基于大熊猫保护取得的成绩,国际自然保护联盟也在2016年将大熊猫的濒危等级从“濒危”降为“易危”,但仍属还需保护的物种。(编辑:明天)

注:国际自然保护联盟定义受威胁的物种包括:极度濒危,濒危,易危三个级别,都属于我们平常说的“濒危物种”,或者“濒危动物”。大熊猫降级降的是濒危等级,但仍是受威胁物种,仍是需要保护的濒危动物。

论文链接

肉嘟嘟,圆滚滚,胖乎乎,一辈子最大的愿望就是照一张彩色照片……
大熊猫憨态可掬的日常,似乎除了卖萌就是啃竹子。然而你可知道,为了自由自在地吃竹子,熊猫们都经历了什么……

在全基因组测序的基础上,他们采用比较基因组学方法从基因组水平进行了大熊猫和小熊猫趋同演化的分子机制解析。在全基因组水平,他们鉴定了70个大、小熊猫适应性趋同的基因,其中部分基因富集在纤毛组装、肢端发育、蛋白消化与吸收、视黄醇代谢等类别或通路,与大、小熊猫伪拇指发育和对竹子中必需营养物质吸收利用密切相关。参与细胞纤毛结构组装的肢端发育基因DYNC2H1PCNT是调控熊猫伪拇指发育的重要基因;与必需氨基酸、必需脂肪酸和维生素吸收利用相关的基因也发生了适应性趋同,可增强熊猫从竹子中汲取必需营养物质以适应低营养的竹子食物。在全基因组水平的假基因化分析中,他们鉴定了10个大、小熊猫共有的假基因,其中包含感知肉味的鲜味受体基因TAS1R1TAS1R1在大、小熊猫中均发生了假基因化,而其它食肉动物该基因正常,呈现了一个有趣的食性特化驱动的遗传趋同事件。进一步分析显示,小熊猫TAS1R1基因发生假基因化的时间应该在小熊猫食性转换为部分植食之后。该研究从代谢通路、蛋白趋同到假基因化等不同水平揭示了大熊猫和小熊猫形态与生理性状趋同的遗传学机制,为趋同演化这一演化生物学热点问题分子机制的揭示提供了新的案例。

中国科学院动物研究所的保护遗传学家魏辅文、胡义波及同事

为揭示大熊猫和小熊猫形态性状和生理性状(如特化食物竹子中必须营养物质的利用)趋同的遗传学机制,中国科学院动物研究所研究员魏辅文领导的研究团队首次对小熊猫全基因组进行从头测序、组装和注释,并通过补充测序对大熊猫基因组进行了重新组装,组装质量比之前版本有了较大提升。基因组水平的系统发育分析显示,大熊猫属于熊科,而小熊猫属于鼬超科,结果支持之前分子水平的分类结论,且二者分歧时间可追溯到4750万年前。