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2019年4月1日周琦实验室在Nature Ecology and Evolution杂志发文阐明天堂鸟性染色体的进化历史

时间:2019年04月02日 访问次数:619

       201941日,浙江大学生命科学研究院周琦实验室在Nature Ecology and Evolution (自然•生态与进化)在线发表题为”Dynamic evolutionary history and gene content of sex chromosomes across diverse songbirds的研究论文。周琦实验室与瑞典自然历史博物馆合作,通过基因组学的手段重构了包括天堂鸟在内的11种鸣禽性染色体的演化历史。


       自然选择理论颠覆了人类对世界的认知,达尔文一直都是这一理论的代名词。但是并没有那么多人记得还有一个“并列一作”华莱士。实际上,华莱士一直以来被誉为“生物地理学之父”,由他发现了区分亚洲和澳洲动植物群的地理边界(现在称为“华莱士线”, Wallace’s line,也是由他第一次对马来群岛的天堂鸟(也叫“极乐鸟”,bird-of-paradise)做了详细的科学记录。天堂鸟的发现早于加拉帕戈斯群岛的”达尔文雀“两百多年,源于其雄性瑰丽的羽毛,一度为欧洲王室贡品,很多物种也以王室成员命名,比如King of Saxony bird-of-paradise (Pteridophora alberti)这些物种的雌雄差异如此之大,一直被作为性别选择的教科书范例。然而其雌雄个体差异最大的基因组部分,性染色体的演化历史却一直不明。现在天堂鸟的性染色体上有什么基因,这些基因又和它们雌雄表型差异有什么关系?

King of Saxony天堂鸟。照片源自Tim Laman (http://www.timlaman.com/)


       该研究产生了五个天堂鸟物种的高质量雌性基因组,并分析了其他已经公布的总共11种鸣禽的基因组来重构它们的性染色体演化。鸣禽(songbird)是鸟类物种最大的分支,包括了人们熟悉的斑马雀,麻雀,乌鸦,金丝雀,还有天堂鸟等等,物种数目接近所有哺乳动物物种数目的总和,占所有鸟类物种数目的一半。和其他鸟类一样,鸣禽的性染色体和哺乳动物的XY类型相反,为ZW类型(即雄性为ZZ,雌性为ZW)。研究发现尽管鸣禽物种多样性丰富,但它们的性染色体有共同的演化历史,都经历了四次同源重组抑制。这些重组抑制使得性染色体的不同区段形成截然不同的序列差异,被称为“进化断层evolutionary strata)。这样的重组抑制保证了雌性特异的W染色体上雌性相关或者雌性性别决定的基因,无法通过重组到Z染色体进入雄性,维持了性别的稳定。有意思的是,传统理论认为,重组抑制是由染色体之间的倒位引起,而本研究发现很有可能是重复序列的特异扩张,导致了重组抑制。证据主要来源于在两段相邻的重组抑制区域的边界,研究者发现了大量的鸣禽特异的转座子爆发事件。而在W染色体上,不同的鸣禽物种之间,尽管它们大都经历了强烈的性别选择,W染色体仍然保留了一定数目的功能基因(通常来说Y或者W染色体会由于无法重组而丢失大量基因)。这些基因大都在其他物种中比其他基因有更广泛的组织表达模式,很可能是由于它们的持家基因功能而被保留。


      周琦教授与瑞典自然历史博物馆的Martin Irestedt研究员为本文通讯作者,浙江大学生命科学研究院生命系统稳态与保护教育部重点实验室为论文作者第一单位。该论文的研究工作得到国家自然基金委面上项目,优秀青年项目以及浙江大学中央高校基本科研业务费的支持。


       原文链接:https://www.nature.com/articles/s41559-019-0850-1