艾德思：西工大学者在Science连发3篇论文揭示反刍动物秘密

反刍动物是超过200种特殊的陆生植食性动物的统称,包括常见的家畜,如牛/羊等.它们是世界上最成功的哺乳动物类群之一,不仅分布极广,其数量也极为庞大.

中国学者及其合作者连发三文揭示反刍动物适应性进化之谜,图片来源Science

6月19日,西北工业大学教授/演化生物学家王文及其合作者在国际顶级期刊Science 连发三篇论文,详细阐述了反刍动物的适应性进化,以帮助人们深刻理解了反刍动物进化历程中的制胜秘诀,同时也为相关的畜牧和动物保护等工作奠定了基础.

 "这些结果对于我们理解反刍动物的演化历史,再生医学/肿瘤生物学/睡眠紊乱和骨质疏松症等医学研究,以及培育新品种家畜都有重要意义.' 王文教授对<知识分子>表示.

西北工业大学教授王文,图片来自

十年前,王文和同事启动山羊/绵羊基因组项目时就在酝酿研究反刍动物.

"反刍动物无论科学和应用上都有重要意义,但遗憾的是,这么一群如此重要的哺乳动物,甚至连科级水平的分类都存在争议,它们各种独特性状的遗传基础也多半是谜.'王文告诉<知识分子>.

所幸的是,西北工业大学与国际上20多个公司一起,完成了反刍动物基因组计划项目,并发表了这三篇研究长文,以阐明反刍动物一系列重要的科学问题.

简言之,这三篇文章主要揭示反刍动物如下三个重要的特征:瘤胃/骨质角以及怎样适应极端的环境.

王文对<知识分子>表示,"科学上,反刍动物独有的瘤胃和骨质角是动物进化史上器官性状创新的一个奇迹,自亚里斯多德的<动物志>到拉马克的用进废退学说,再到达尔文的自然选择理论,反刍动物都被高度关注.关于鹿角,它是哺乳动物中唯一能完全再生的器官,美国布朗大学的Richard Goss曾写下这样的感叹,'鹿角是如此地不可思议,要不是它们一路进化成了它们今天的模样,就算是最有想象力的生物学家穷尽他们最海阔天空的想象力,也想象不出今天鹿角的样子''.

反刍动物有哪些特殊之处?

反刍动物被称为反刍动物,正是由于其进食方法——反刍.进食时,它们会粗略咀嚼后咽下食物,然后躺着或坐着将半消化的食物从胃里返回嘴里再次咀嚼,而这一过程需要一种特殊的消化器官的帮助——多室胃(multichambered stomach).

反刍动物多室胃的结构,图片来源Science

典型的多室胃分为四个部分:瘤胃(rumen)/网胃(reticulum)/瓣胃(omasum)和皱胃(abomasum).其中瘤胃是消化的主战场,瘤胃中的微生物可帮助消化食物中大量难以消化的纤维.四个胃协同作用使得反刍动物相比其他植食性哺乳动物如马等动物,能更高效地消化植物,这恰恰是反刍动物成功适应环境的关键因素之一.

反刍动物还是现存唯一具有骨质角(headgear)的动物类群.不同科的反刍动物具有不同形态的角,如长颈鹿科的角仅仅是被头皮覆盖的骨质突起,而牛科和鹿科动物却能长出骨质的长角.

长颈鹿和牛的骨质突起,图片来源Wikipedia

这些角往往可以快速生长,即使折断也能继续冒出新的来,如鹿角每天最多可以长长,几个月时间就可长成一个10kg的大家伙.这种特性为研究再生医学和组织工程的科学家带来了灵感,使得人们期望能够发现反刍动物的角快速生长的秘密.

反刍动物还可适应多样的环境,甚至可以适应某些极端环境.生活在青藏高原的牦牛彰显了它们强大的生命力,但驯鹿的存在再次刷新了我们对反刍动物适应能力的认知,它们生活在严酷的北极/亚北极的冰原和苔原上,时刻会面临酷寒/极为有限的食物供应以及极昼或极夜的环境.

那么,究竟是怎样的基因特征,让反刍动物拥有如此强大的消化能力以及能在极端环境下生存的生理特征?

反刍动物的基因特征

为了回答上述问题,研究者汇集了6个科44种反刍动物的高质量全基因组,并利用谱系组学(phylogenomics)的相关方式构建了它们的全基因组系统发育树.以此为基础,研究者就能够了解到它们生态/行为/形态/生理/生活史等各个方面生物多样性特征的遗传学和进化的基础.

反刍动物种群数量的减少与人类的扩张同步发生,图片来源Science

研究者还发现,在距今约10-5万年前,不同大洲反刍动物的种群数量均经历了急剧下降,与人类到达各大洲并进行大规模扩张的时间重叠,因此他们推断,人类活动或许是导致这一时期哺乳动物数量减少的可能原因.

基因组揭示了多室胃的演化历程,图片来源Science

此外,研究者还找到了很多与胃室/体型大小/奔跑能力/独特的牙齿形态/免疫和代谢等性状相关的基因,并揭示了这些基因是怎样在自然选择等进化力量的作用下发生适应性的变化,进而帮助反刍动物适应多元的环境.以反刍动物的多室胃为例,研究表明,瘤胃/网胃和瓣胃实际上是由食管(esophagus)演变而来的,而皱胃却是由十二指肠(duodenum)演变而来的.

在先前研究的基础上,研究人员汇集了221个牛科和鹿科动物的转录组并进行了分析,发现反刍动物的角具有共同的基因/细胞和组织起源;而无角的麝科和獐亚科都展现出同一个关键基因的趋同丢失,这解释了为什么只有反刍动物才进化出了骨质的角.

进一步的生物信息学分析表明,肿瘤发生和神经发生相关的途径可能介导鹿角的快速再生;特别是大量的抑癌基因,如p53通路的基因受到了强烈的自然选择,可能与鹿科动物癌症发生率很低有关.这表明,鹿角再生能力和鹿的抗癌能力源于同一通路调控,了解这一机制,将会为再生医学和癌症研究带来新的契机.

鹿角的再生循环,图片来源Science

对驯鹿基因组和非反刍类动物的基因组进行比较基因组学分析,研究人员发现了它们适应北极环境的奥秘.首先,驯鹿进化出类似企鹅和北极熊的脂肪代谢方法以对抗严寒;其次,驯鹿与昼夜节律相关的基因发生了突变,导致它们几乎没有昼夜节律,因而能适应北极地区的极昼和极夜;此外,驯鹿控制维生素D代谢的基因在自然选择的作用下,两个关键酶活性远高于其他动物,因此保障了其在低光照条件下依然能够高效率的进行钙代谢,促进鹿角的生长.这些适应性的性状共同作用,保障了驯鹿在极端环境下的生存.

还有更多的科学问题尚未解决

上述研究成果对我们理解反刍动物的演化/再生医学/肿瘤生物学/睡眠紊乱和骨质疏松症等医学研究,以及培育新品种家畜都有重要意义.然而还有很多问题尚未解决,同时很多反刍动物也面临着严重的生存危机.

全球范围内濒危反刍动物的分布,图片来源:Science

这一领域还有哪些重要的研究方向?王文对<知识分子>表示,"未来我们将深入研究瘤胃起源进化的机制及其畜牧业提升的价值,鹿角再生的机制和鹿抗癌能力的机制,新遗传元件在反刍动物演化过程中的作用,牛科物种的演化以及家畜物种的驯化机制及其在家畜育种中的意义等.当然,其他一些具体和独特物种的生物学/演化历史以及保护,乃至整个有蹄类演化历史,也将不同程度地涉及.'

评   论

谱系组学助力反刍动物演化研究

张国捷 哥本哈根大学终身教授/中科院昆明动物研究所研究员/此项研究的共同通讯作者

主流的遗传学研究主要集中在果蝇/小鼠等少量模式物种上开展,这些模式生物对我们理解分子/细胞生物学基本规律发挥了重要作用.然而生态系统种存在千奇百怪物种呈现出缤纷多彩的形态/生理/行为特征,对这些物种的起源与适应性性演化过程,物种特异性表型的演化及发育遗传调控机制的研究,是了解自然演化历史及生物多样性形成的关键.这也是达尔文在其<物种起源>一书最后一段话所述的"endless forms most beautiful".然而依靠研究实验室模式生物无法揭示大自然美妙及恢弘的演化历史,基因组测序成为开启各类物种分子层次研究的一个窗口.

传统演化及生态学研究主要基于海量的物种标本及表型信息采集来揭示生物表型的演化历史.近几年基因组学技术的发展极大的推动了对各类物种基因组的解读和生物多样性基因组学这一新兴的多学科交叉领域的发展.全基因组数据提供了比表型更丰富和精细的物种特征信息,从而极大的提高了构建物种生命之树的准确度,因此能很好的解决许多历史上悬而未决的物种演化历史问题.另外,通过比较相关物种基因组数据能更清晰刻画物种特异性特征,结合不同物种的表型信息,可以高效的筛选出影响表型性状的相关基因.从演化的视角为表型和基因型建立关联,丰富我们对基因功能和调控过程的理解.

随着组学技术的进一步发展,对各类物种的基因组信息解读越来越容易,近年来开始兴起谱系组学(phylogenomics)的概念,亦即对某一特定物种类群的代表性物种乃至所有物种开展基因组学分析,目的不仅在于利用基因组信息提供的超高精度种间差异特征重构生命之树,同时旨在分析物种类群内部生态/行为/形态/生理/生活史等各个方面生物多样性特征的遗传学基础.解决这些问题的手段往往不局限于生物信息学对基因组序列的比较分析,往往结合其他学科的理论或者工具,比如细胞生物学/发育生物学/神经生物学/免疫生物学等,从而系统的阐述物种起源/发育和适应性演化的分子机制.因此形成了一个多学科交叉的研究领域.

目前,国际上已有多个大规模谱系组学项目正在组织,针对不同物种类群开展其生物多样性基因组学研究.其中影响比较大的有万种鸟类基因组计划(B10K)/哺乳动物基因组计划(200 Mammalian Genomes)/脊椎动物基因组计划(VGP)等.这些计划依托于各国自然历史博物馆上百年丰富的物种标本馆藏,极大的缩短了样品收集时间,并确保比较完整的物种类群覆盖,如哥本哈根大学自然历史博物馆拥有全球半数以上的鸟类物种和最全的反刍类哺乳动物标本.

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