凹耳臭蛙和大绿臭蛙高频听觉敏感基因的分子进化模式研究

Acoustic communication is essential for survival, reproduction and evolution of anurans. Masking background noise is a critical factor for effective acoustic communication, and previous analyses have suggested that males of the concave-eared frog (Odorrana tormota) and Odorrana graminea could produce and detect ultrasounds for the purpose of adaptation to the intense, predominately low-frequency ambient noise produced by nearby streams and waterfalls, whether females of both species exhibit no ultrasonic sensitivity. However, the molecular basis underlying the evolution of ultrasonic hearing and the auditory sex differences in these two odor frogs is poorly documented to date. Here, two high-frequency hearing-sensitive genes, i.e., prestin and KCNQ4, from these two odor frogs as well as other representative amphibians were determined and compared by evolutionary genetics and bioinformatics analysis. The aims of this project were 1) to determine the evolutionary patterns and driving force of prestin and KCNQ4 genes in anurans during their adaptation and diversification, and 2) to reveal the molecular genetic mechanism for ultrasonic hearing adaptation and sex differences in Odorrana tormota and Odorrana graminea, and 3) to provide new insights into the evolutionary process and molecular basis for the adaptation of auditory system of terrestrial vertebrates to various terrestrial environments.

声通讯对无尾两栖类的生存、繁衍和进化具有重要意义。环境中的噪音会严重影响动物的声通讯，已有研究显示，在以低频为主的强环境噪音中，雄性凹耳臭蛙和大绿臭蛙通过发出并接收含有超声组分的鸣叫适应山涧激流生活，而雌性则不能接收其中的超声部分。然而，关于两种臭蛙适应溪流生境进化超声听觉以及高频听觉性二态性的分子机制尚不清楚。本项目拟通过两种臭蛙及其他不同生活类型无尾两栖类高频听觉敏感基因prestin和KCNQ4的克隆及其进化遗传学和生物信息学分析，揭示无尾两栖类在起源和分化过程中prestin和KCNQ4基因的进化模式和驱动因素，探讨凹耳臭蛙和大绿臭蛙超声听觉适应及高频听觉的性别差异的分子遗传学机制，为陆生脊椎动物听觉系统对陆生生境适应性进化的过程和机制提供科学依据。

适应性进化是生态学和进化生物学研究的核心问题之一。声通讯对两栖类的生存、繁衍和进化至关重要。凹耳臭蛙和大绿臭蛙栖息于山涧急流和瀑布附近，其声信号受到强环境噪声的掩蔽，研究表明它们采用高频声音号通讯的策略来适应嘈杂的溪流生境。本研究选择听觉信号通路中对高频听觉敏感的关键基因prestin和KCNQ4以及Otof基因，从基因克隆和基因表达两个层面上揭示了两栖类prestin、KCNQ4和Otof基因的进化模式：1）在凹耳臭蛙和大绿臭蛙祖先支prestin基因和KCNQ4基因均检测到显著的正选择信号，并且正选择位点位于重要的功能区域，提示prestin和KCNQ4基因在凹耳臭蛙和大绿臭蛙高频听觉的适应性进化过程中具有重要作用。2）除了凹耳臭蛙和大绿臭蛙，在其他溪流两栖类如：武夷湍蛙、太行隆肛蛙、叶氏肛刺蛙等祖先支均检测到prestin基因受到显著的正选择作用，而在其他支系则未检测到正选择信号，提示prestin基因在两栖类不同进化阶段经历了多次适应性进化事件，通过提高声音频率来适应嘈杂的溪流生境。3）Otof基因在两栖类不同支系中较保守，受到了显著的净化选择作用，提示该基因在两栖类听觉信号传导通路中具有重要作用。4）转录组测序和比较转录组结果表明听觉通路其他关键基因在凹耳臭蛙雌雄之间、大绿臭蛙雌雄之间、凹耳臭蛙和大绿臭蛙之间以及与其他生境两栖类代表物种间存在表达差异。本研究的工作为理解两栖类听觉系统对陆生生境适应性进化的过程和机制提供重要的资料和科学依据，并为此后两栖类从水生到陆生转变过程中适应性进化研究提供了至关重要的依据。