鸭科鸟类Toll样受体基因的分子进化模式研究

To investigate adaptive evolution of organisms is one of the most important issues and hotspots in current life sciences. Continuously evolving pathogens and parasites, usually leading emerging infectious diseases, pose strong selective forces on immune systems of their animals hosts. These consequently drive adaptive genetic variation at functionally important genes involved in the development of immune defense. Therefore patterns of pathogen-mediated selection acting on immune-defense genes in animals have been the focus of considerable interests for evolutionary biologists. Being natural reservoirs and probably potential vector species of several avian-borne diseases，long-distance migratory Anatidae birds, i.e. geese, swans and ducks, are one of important groups to study adaptive evolution of animal immune systems. To shed lights on the inter and intra specific evolution patterns of avian immune systems, evolutionary analyses will be carried out to investigate patterns of selection on Toll-like receptors multi-gene family, a branch of important genes involved in the resistance or susceptibility to infectious diseases. Toll-like receptors are characterized by trans-membrane structures that are functional in pathogen recognition. As a consequence, they initiate intracellular signaling cascade, which is essential for the activation of immune defense. However, the molecular evolution of Toll-like receptor genes in wild birds remains largely unknown. Hence, this project is to study genetic variability and characterize selection patterns of Toll-like receptor genes across several Anatidae species and conspecific populations of Mallard（Anas platyrhynchos）using a candidate-gene sequencing approach. This project is aim to gain comprehensive perspectives of evolutionary patterns of Toll-like receptor genes in Anatidae birds on a comprehensive tempo－spatial scales. Associated findings of this project will provide a base towards deeper understandings of the molecular basis of immune system evolution in wild birds, as well as important implications for host-pathogen coevolution.

生物的适应性进化是当前生命科学的研究热点之一。病原生物（细菌、病毒、寄生虫等）给其动物宿主的免疫系统施加了很强的选择压力，促使与宿主免疫功能相关的基因产生适应性的遗传变异。因此，阐明动物免疫系统进化的分子机理具有重要的理论价值。作为多种病原生物的天然宿主和传播者，鸭科鸟类是研究动物免疫系统适应性进化的重要类群之一。本项目拟采用功能基因测序的方法，对Toll样受体基因家族在多种鸭科鸟类间和绿头鸭（Anas platyrhynchos）不同地理种群间的分子进化模式进行研究。Toll样受体是脊椎动物先天性免疫系统必要的元件，可以识别病原生物，从而激发宿主的免疫应答过程。但对野生鸟类Toll样受体基因进化模式的研究还较少。本项目旨在综合性地揭示鸭科鸟类Toll样受体基因在不同时空尺度下的进化模式。相关研究成果可丰富我们对鸟类免疫系统适应性进化的认识，并为阐明宿主与病原生物协同进化提供重要启示。

鸭科(Anatidae)是新鸟亚纲基部支系雁形目(Anseriformes)的主要类群。该科的物种大多为全球性分布、具有长距离迁徙能力的水鸟，同时也是多种病原体(如病毒和细菌)的宿主，而成为动物疫病防控的重要类群。本研究以TLR5和TLR7为目标，研究鸭科55种鸟类鸟类包括绿头鸭（Anas platyrhynchos）不同种群免疫相关基因TLRs在种间水平的多态性和进化模式，理解TLRs在种间水平的进化；以不同的生态因子作为解释变量，以TLRs各基因的ω值作为响应变量，研究鸭科鸟类TLRs的选择模式与各生态因子的相关关系。选择结果表明TLR5和TLR7在鸭科中多态性较低，选择模式也呈片段化多样性选择的特点。鸭科鸟类TLR5和TLR7的ω值与种类的取食方式和巢址的类型有关，而与迁徙的模式无关，反映了免疫基因可能与鸭雁类繁殖期的生活史和发育模式相关。. 新鸟亚纲(Neornithes)是现代鸟类系统进化树上的主干。研究以TLRs为代表的该类群先天性免疫系统的适应性进化将揭示免疫系统在适应性辐射进化的背景下在非模式生物中的微进化选择模式。为此，本研究共收集新鸟亚纲38个目100个物种的TLR进化模式样品。结果显示，新鸟亚纲的TLRs的胞外域由于生物功能的限制，免疫基因在分子水平上表现为负选择，但是在与病原体识别和结合的部位存在片段化多样性选择(episodic diversifying selection)；这可能是一种病原体-宿主协同进化的方式。TLR1LA和TLR1LB之间存在基因转换现象(gene conversion)，是一种鸟类基因组简化的方式，亦可能是对飞行生活高能量消耗的适应。基因复制和基因转换以及由此产生的基因功能的分化是免疫基因重要的进化过程。系统发育比较分析结果表明TLRs的ω值，即量化选择强度的值与物种幼鸟的发育模式、体重、迁徙和取食方式有关，晚成鸟、更大的体重、更长距离的迁徙以及在水中取食的种类，ω值有升高的趋势，这暗示着鸟类在适应辐射中过程中，病原体对于宿主免疫基因的深刻影响。. 综上，本研究揭示了鸟类TLRs在高级阶元的分子进化模式，以及与选择强度相关的生态因子，较为系统地展示了TLRs作为重要的免疫基因与鸟类适应高级阶元分化的相关关系，为理解脊椎动免疫系统的进化与功能提供了全新的视角。