沙蜥动态视觉信号复杂性进化的历史及驱动力

Communication signal is the foundation of social behavior. Tracing the evolutionary history of animal communication signals and their evolutionary driving forces is one of the most important areas of research in modern biology. The evolution of signal complexity is perhaps the most fundamental component. Due to technical limitations, the current theories on signal complexity evolution are primarily based on studies of acoustical and color signals. Nevertheless, the majority of animals do not use sound or color in communication. Rather, they use mostly motion signals (body language). With recent advances in technology, studies on evolution of visual motion signal complexity has just begun. Using genus Phrynocephalus as model system, we propose to examine the evolutionary history of visual motion signal complexity in the genus and explore its evolutionary driving forces. First, we will collect, digitize, and analyze the motion signals in all 30+ recognized species, using the most recent 3D methods. Second, we will sequence the recently developped 100 nuclear markers for vertebrate phylogenomics to construct a phylogeny of the genus Phrynocephalus. We will then reconstruct the evolutionary history of visual motion signal complexity based on the tree. Furthermore, we will use phylogenetic comparative methods to examine the relationships between signal complexity and key environmental factors and test three alternative hypotheses (neutral hypothesis, efficacy hypothesis and social complexity hypothesis), which may provide explanations of the evolutionary driving forces for the signal complexity. Phrynocephalus species have simply social behavior, variable and yet simple motion signals, and extremely dense populations, which make them an ideal model study system. We aim to test and improve the current signal complexity hypotheses and eventually establish widely applicable theory. Meanwhile, we would like to lay the foundation for our next step mechanistic study, which will include genetics and functions of these motion signals.

通讯信号是社会性行为的基础，其进化历史和进化驱动力是现代生物学的重要研究方向。信号复杂性是信号进化中最重要的成分。由于研究技术的限制，目前关于信号复杂性的理论主要基于声音和颜色信号，而绝大多数动物既不发声，也无艳丽色彩，它们最主要的通信方式是动态视觉信号（肢体语言）。本研究将以沙蜥为模型，开展动态视觉信号复杂性进化的研究。一，我们将采用最新开发的3D方法收集、量化、比较分析沙蜥属所有已知物种的动态视觉信号。二，用100个核基因序列重建沙蜥系统发育树，并在树的基础上重建信号复杂性的进化历史。三，采用最新的系统发育比较法建立信号复杂性与关键环境因子的相关关系，进而检验信号复杂性进化的相关假说。沙蜥有着简单的社会性行为，变化大且相对简洁的动态视觉信号，野外种群密度大，是此类研究极佳的研究体系，我们前期有着良好的基础。本研究将建立普适性更高的信号进化理论，并为下一步开展功能及遗传基础的研究打下基础

通讯信号是社会性行为的基础，揭示通讯信号的进化历史，探索其进化驱动力是现代生物学的重要方向之一。信号进化中最重要的方向就是信号复杂性的进化。然而，由于研究技术的限制，大量关于信号复杂性的理论都是围绕声音和颜色信号，而动物界绝大多数物种并不发出声音，也缺乏艳丽的色彩，他们主要采用动态视觉信号（肢体语言）进行通讯，而关于动态视觉信号复杂性进化的历史和驱动力还很不清楚。本研究整合采用最新的2D与3D方法收集并量化了18个沙蜥物种/亚种的动态视觉信号，量化了12个荒漠沙蜥种群的动态视觉信号。采用简化基因组方法重建了沙蜥属物种系统发育关系，并在树的基础上重建了动态信号复杂性的进化历史。最后采用最新的系统发育比较法分析了信号复杂性与形态、生态、社会交流和认知能力的相关关系，进而检验了信号复杂性进化的相关假说。研究了荒漠沙蜥不同种群动态视觉信号复杂性的地理变异及其影响因素。研究了青海沙蜥和大耳沙蜥的动态视觉信号功能，推演了动态视觉信号复杂性进化的驱动力。结果表明：一、沙蜥动态视觉信号长度从祖先开始逐渐缩短，而信号成分的多样性则在不同支系呈现不同的进化模式；不同信号成分的进化历史不同，有些成分从未丢失，有些成分则经历多次丢失和重获取过程；二、沙蜥动态视觉信号复杂性进化是生境、个体形态、平衡能力和认知能力共同影响的结果；三、荒漠沙蜥动态视觉信号复杂性与植被高度、腋部色斑和种群密度大小相关；四、青海沙蜥动态视觉信号强度与个体身体质量和洞穴质量相关，这为社会交流对动态视觉信号复杂性的影响提供了重要证据；五、大耳沙蜥张耳行为主要用于抵御天敌，这为新信号成分的进化提供了新的驱动证据。通过本研究，一方面有助于建立更普遍的信号进化理论，为生物多样性的形成和进化提供重要理论依据，同时为将来开展动态视觉信号功能及其遗传基础的解析提供重要线索。