高山倭蛙适应高原极端环境的遗传机制研究

A hot topic in evolutionary studies involves identification of the genomic adaptations of organisms in response to extreme hypoxia, low temperatures, and high levels of UV radiation on the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP). The development of high-throughput sequencing techniques provides unprecedented opportunities to pursue such study. A handful of studies have identified genetic adaptations of endothermic mammals and birds on the QTP. However, no analyses exist for ectothermic vertebrates. I propose to explore the mechanisms of adaptation for ectotherms and compare these with those of endotherms. Amphibians are a key transitional group in the evolution of vertebrates and I use them as representative ectotherms. In this project, my laboratory will conduct genomic analyses to identify the key genes and their interaction networks underling the high-elevation adaptations of the QTP frog (Nanorana parkeri) which lives at elevation between 2850–5000m. Analyses will reveal genetic adaptations and determine which are unique to the ectotherms. Analyses will include (1) genome-level comparisons of nucleotide and amino acid sequences and levels of gene expression between N. parkeri and its low-elevation relatives; (2) population genomics will compare the genomes of N. parkeri among individuals living at different elevations; and (3) experiment designed to differentiate "acclimatization" and “adaptation” at the level of gene expression. This work will greatly advance our understanding of the genetic adaptations of organisms on the QTP.

探讨生物如何适应高原极端环境（低氧，低温，强紫外线）的分子机制是目前进化领域的热点问题。高通量测序及基因组分析方法的发展为开展此类研究提供了前所未有的机遇。前人工作在鸟类和哺乳类等恒温动物适应高原机制方面已取得重要进展，然而对占据更多数量和多样化的变温动物，尚缺乏研究。变温动物是否存在有别于恒温动物高原适应新的机制是一个有趣的问题。本项目以在脊椎动物演化过程中占据关键地位的两栖类作为变温动物的代表，选取青藏高原的优势物种高山倭蛙（分布范围2850-5000米）为研究对象，结合其形态、生态等高原适应特征，通过①与其低海拔的近缘种在基因序列和表达的比较分析、②不同海拔梯度的群体基因组学分析、以及③蛙类“习服”和适应之间基因表达差异分析，探讨该物种适应高原极端环境的关键基因群及其交互作用网络，揭示变温动物高原适应新的遗传机制，最终加深对动物高原适应的系统认识。

作为典型的高原两栖动物，高山倭蛙可在高达5000米的环境生存，群体内存在梯度式的海拔变化，这些特点使其成为研究适应性进化乃至物种形成机制的良好材料。为推动本项目的顺利开展，我们首先成功解析了高山倭蛙基因组（Sun et al., 2015. PNAS），研究鉴定了两栖动物中高度保守的区域，为后续比较基因组学以及适应性进化研究提供了重要基础。随后，以高山倭蛙为对象，通过不同海拔跨度的进化研究，我们在种上和种下水平揭示了高山倭蛙适应高海拔环境的遗传基础，近期群体的历史和结构，及其成因。.（1）通过和较低海拔的近缘种（包括棘臂蛙、双团棘胸蛙、棘胸蛙）的比较转录组学分析，我们发现高山倭蛙在其分子进化的过程中有200个基因受到了正选择，并显著富集在DNA损伤修复、血管生成、和氧化还原等通路和网络上，奠定了其适应高海拔的遗传基础。进一步分析发现，这种分子适应在刚与低海拔物种分化后就已经出现，并且呈现持续进化的模式，提示这些基因通路在两栖动物适应高海拔环境中具重要作用。上述发现在爬行类—沙蜥属中得到了进一步验证。.（2）通过对63个高山倭蛙的群体基因组分析，支持了其存在明显的东、西分化模式。通过对东、西支系之间杂交区域的遗传分析发现，东、西之间仅存在有限地基因交流；对东西之间高分化区域内基因的功能分析，发现这些基因显著富集到与生殖功能相关的通路中，分析显示自然选择对东、西的生殖隔离分化起到了重要作用，提示东、西已经具备生殖隔离，为两个物种。对东部内各支系高分化区域所含基因的功能富集分析发现其显著的富集在于高海拔适应相关的通路上，例如血液循环、低氧应答和紫外应答等。转录组和qPCR发现部分高分化基因在高、低海拔之间存在显著表达差异，如脑中的DNAJC8基因，心脏中的TNNC1 、ADORA1基因等。本研究揭示了自然选择在高山倭蛙的适应和物种形成中扮演了重要的角色。.本项目按计划顺利执行，目前已发表1篇文章（PNAS），第2篇正在PNAS进行第二轮审稿，第三篇文章初稿已完成，准备投稿。