沙蜥体色深浅地理变异与适应进化的生态遗传学研究

We discovered that Phrynocephalus theobaldi could be divided into two major clades, corresponding to Ali area and Yarlung Zangbo Rivier Basin in relatively cold-dry environments of high altitudes, and the Southern Tibetan Valley in relatively warm-wet environments of lower altitudes, respectively. Adult individual lizards possess significantly variation in grey color between both groups. It is well known that the melanocortin receptor -1 (MC1R) played a critical role in pigmentation and our preliminary research suggested that the mutations of MC1R amino acid loci of P. theobaldi were significantly correlated with the color divergence between both groups. In this work, we will continue to explore the complete MC1R sequences and its upstream regulatory UTR region of P. theobaldi, and to analyze the variations of CDS amino acid between both color groups. Cellular functional verification associated with significantly amino acid variations of MC1R between both color groups were therefore conducted to verify the eco-genetic mechanism of both groups distributing in relatively cold-dry or warm-wet environments with significantly grey color divergence. The accomplishment of this project will reveal the genetic mechanisms of natural selection in color variation of P. theobaldi and have important scientific and theoretical value in evolutionary biology.

我们研究发现西藏沙蜥种群可分为两大系统进化支，分布对应阿里地区与雅鲁藏布江流域等相对干冷的高海拔地区，以及藏南谷地等相对温湿的低海拔地区，两群体间有显著的灰度体色地理变异。我们前期研究另发现以上两群体间还具有与体色变异统计相关的在黑色素合成中起关键作用的皮质素受体-1（MC1R）基因的氨基酸位点变异，本项目拟通过深入解析MC1R基因全长及上游UTR调控区，分析不同群体间 CDS密码子变异与体色变异的关系；并对MC1R氨基酸变异进行黑色素合成细胞水平的功能验证；拟从遗传变异及其氨基酸变异位点的功能验证角度阐明西藏沙蜥种群体色深浅地理变异与适应进化的生态遗传机制。该项目将揭示西藏沙蜥体色变异自然选择的遗传作用机制，在进化生物学领域有重要的科学理论价值。

西藏沙蜥广泛分布在西藏南部地区，包括海拔相对较低的藏南谷地，以及雅鲁藏布江流域与阿里地区等海拔较高地区。在分布区内西藏沙蜥种群表现出与海拔相关的背部体色灰度特征的生态地理变异与种群地理遗传分化。本项目围绕 “明确MC1R氨基酸位点遗传变异对西藏沙蜥种群体色变异的影响，并阐明其潜在的分子机制”的研究目标，研究发现西藏沙蜥在低海拔相对温湿环境下具有较深的背部体色特征，并开展了西藏沙蜥体色变异的生态遗传学研究，顺利完成了项目计划书规定的所有研究内容。取得的主要研究结论如下：（1）研究发现海拔最低的西藏沙蜥藏南谷地分支（XSV, 3589-4036m）样本背部体色比在较高海拔分布的雅鲁藏布江姐妹支系（BRV, 4564-5055m）的样本、以及阿里外部分支（NR, 4242-4714m）的样本都要深。研究发现西藏沙蜥XSV与BRV分支间的栖息地颜色灰度特征没有显著差异，但不同分支分布在不同的环境区，其背部体色差异可能与气候环境有关；（2）测定了来自40个样点的214西藏沙蜥样本的全长MC1R基因序列，发现25个核苷酸变异位点与12个蛋白型。在XSV与BRV姐妹分支群体间发现4个MC1R氨基酸变异位点残基频率与体色变异显著相关，其中有3个位点受显著正选择作用，2个位点在低海拔XSV分支与高海拔BRV\NR分支群体间100%正选择进化固定；（3）分子系统发育与基因型网络图分析结果支持两个正选择固定位点是西藏沙蜥低海拔进化分支XSV选择适应藏南谷地相对温湿环境过程中形成的；（4）不同MC1R基因型分子细胞生物学研究证实低海拔XSV分支MC1R氨基酸位点变异增加了镶嵌在细胞膜表面黑皮质素受体-1含量与平均43%的第二信使cAMP产生，从而影响黑色素的产生，使其体色较深。本项目研究成果阐明了MC1R氨基酸位点变异受与海拔相关的自然选择作用从而影响西藏沙蜥体色变异的模式，并揭示了该体色进化的分子机制，在体色变异生物地理学与进化生物学研究领域有重要的理论意义。主要研究结果作为大会报告的部分内容在2018年中国动物学会两栖爬行动物学分会做了交流，并将此内容在第14届全国野生动物生态与资源保护学术会议上以分会专题报告做了交流。