科學家揭示大熊貓和小熊貓趨同演化的遺傳學機制

大熊貓

小熊貓

趨同演化是演化生物學研究的熱點問題，是指兩個或多個系統發育關係較遠的物種，演化出相同或相似的表型性狀以適應相似的環境選擇壓力。儘管自然界中存在很多趨同演化的現象，但關於趨同演化的遺傳學機制研究卻很少。傳統的趨同演化機制研究主要採用候選基因的方法，而隨著基因組學的發展，在基因組水平能更加全面深入地揭示趨同演化的遺傳學機制。

熊貓和小熊貓屬於食肉目不同的科：大熊貓屬於熊科、而小熊貓屬於鼬超科中的小熊貓科，二者分歧已有4000多萬年。儘管其系統發育關係較遠，它們卻演化出相同的食竹食性，低營養、高纖維的竹子占其食物組成的90%以上；更為有趣的是，這兩種熊貓的前掌還演化出一個特殊的結構——偽拇指，以幫助抓握竹子，是適應性演化和趨同演化的經典案例。科學散文作家斯蒂芬·古爾德在其1980年出版的著名科學散文集The Panda』s Thumb 中專門討論了大熊貓偽拇指的演化，引起大眾對熊貓偽拇指的廣泛關注。然而，偽拇指形成的分子機制一直難以揭示。

為揭示大熊貓和小熊貓形態性狀（如偽拇指）和生理性狀（如特化食物竹子中必須營養物質的利用）趨同的遺傳學機制，中國科學院動物研究所研究員魏輔文領導的研究團隊首次對小熊貓全基因組進行從頭測序、組裝和注釋，並通過補充測序對大熊貓基因組進行了重新組裝，組裝質量比之前版本有了較大提升。基因組水平的系統發育分析顯示，大熊貓屬於熊科，而小熊貓屬於鼬超科，結果支持之前分子水平的分類結論，且二者分歧時間可追溯到4750萬年前。

在全基因組測序的基礎上，他們採用比較基因組學方法從基因組水平進行了大熊貓和小熊貓趨同演化的分子機制解析。在全基因組水平，他們鑒定了70個大、小熊貓適應性趨同的基因，其中部分基因富集在纖毛組裝、肢端發育、蛋白消化與吸收、視黃醇代謝等類別或通路，與大、小熊貓偽拇指發育和對竹子中必需營養物質吸收利用密切相關。參與細胞纖毛結構組裝的肢端發育基因DYNC2H1和PCNT是調控熊貓偽拇指發育的重要基因；與必需氨基酸、必需脂肪酸和維生素吸收利用相關的基因也發生了適應性趨同，可增強熊貓從竹子中汲取必需營養物質以適應低營養的竹子食物。在全基因組水平的假基因化分析中，他們鑒定了10個大、小熊貓共有的假基因，其中包含感知肉味的鮮味受體基因TAS1R1。TAS1R1在大、小熊貓中均發生了假基因化，而其它食肉動物該基因正常，呈現了一個有趣的食性特化驅動的遺傳趨同事件。進一步分析顯示，小熊貓TAS1R1基因發生假基因化的時間應該在小熊貓食性轉換為部分植食之後。該研究從代謝通路、蛋白趨同到假基因化等不同水平揭示了大熊貓和小熊貓形態與生理性狀趨同的遺傳學機制，為趨同演化這一演化生物學熱點問題分子機制的揭示提供了新的案例。

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