青藏高原極端環(huán)境（低氧、強(qiáng)紫外線、溫差大）為研究生物適應(yīng)性提供了天然的試驗(yàn)場(chǎng)。盡管已有研究表明動(dòng)物基因表達(dá)模式的演化在高原適應(yīng)中具有重要作用，但遺傳與環(huán)境因素如何共同調(diào)控這一過(guò)程仍缺乏系統(tǒng)性解析。為此，本研究聚焦青藏高原10種兩棲動(dòng)物（圖1），通過(guò)整合轉(zhuǎn)錄表達(dá)數(shù)據(jù)與環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)探討了基因表達(dá)可塑性在極端環(huán)境適應(yīng)中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)模式，旨在揭示物種特異性適應(yīng)策略的形成機(jī)制及其功能基礎(chǔ)。
研究結(jié)果表明，不同物種間的基因表達(dá)模式存在顯著差異，這些差異主要受環(huán)境因子的驅(qū)動(dòng)，包括溫度、氧氣濃度、紫外線輻射強(qiáng)度以及降水量。此外，我們發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)的差異性與遺傳距離之間并無(wú)顯著相關(guān)性，這表明基因表達(dá)演化更多地由物種特異性和環(huán)境選擇壓力所決定。例如，中華蟾蜍（Bufo gargarizans）對(duì)多種環(huán)境因子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的基因表達(dá)反應(yīng)，顯示出其在不同環(huán)境下具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力；而西藏齒突蟾（Scutiger boulengeri）的基因表達(dá)模式相對(duì)穩(wěn)定（圖2）。這提示不同物種演化出"靈活響應(yīng)"與"穩(wěn)態(tài)維持"的適應(yīng)策略分化。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子的調(diào)控權(quán)重存在物種異質(zhì)性：如降水量和氧濃度對(duì)中華蟾蜍基因表達(dá)變異的貢獻(xiàn)率最高，而在高山倭蛙中溫度和氧濃度成為主要調(diào)控因素，這種差異可能反映了物種對(duì)不同環(huán)境壓力源的演化優(yōu)先級(jí)選擇。值得注意的是，盡管物種間基因表達(dá)模式差異顯著，但能量代謝、抗氧化應(yīng)激、細(xì)胞自噬等核心生理功能模塊呈現(xiàn)趨同進(jìn)化特征，表明環(huán)境壓力通過(guò)不同調(diào)控路徑推動(dòng)功能趨同（圖3）。
這些發(fā)現(xiàn)從多維度揭示了基因表達(dá)可塑性在高原適應(yīng)中的核心作用：環(huán)境選擇通過(guò)塑造基因表達(dá)多樣性驅(qū)動(dòng)動(dòng)物適應(yīng)策略的形成，功能趨同保障了關(guān)鍵生理過(guò)程的優(yōu)化，而物種特異性適應(yīng)策略則體現(xiàn)了演化歷史的路徑依賴。該研究不僅為理解極端環(huán)境適應(yīng)提供了"基因表達(dá)-生理功能-生態(tài)策略"的整合框架，更對(duì)高原生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有實(shí)踐價(jià)值——例如針對(duì)高可塑性物種設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)保護(hù)方案，或基于功能趨同特征篩選適應(yīng)性標(biāo)記基因。未來(lái)研究需結(jié)合表觀遺傳修飾與蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)，深入解析環(huán)境信號(hào)傳導(dǎo)的多層級(jí)調(diào)控機(jī)制，為預(yù)測(cè)氣候變化下的生物適應(yīng)性演化提供理論支撐。
本研究以“Adaptive Divergence and Functional Convergence: The Evolution of Pulmonary Gene Expression in Amphibians of the Qingzang Plateau”為題，發(fā)表在國(guó)際分子生態(tài)學(xué)研究的經(jīng)典期刊Molecular Ecology（一區(qū)top）。中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所常利明博士為該論文第一作者，朱未副研究員、王斌副研究員和江建平研究員為通訊作者。該研究得到第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究計(jì)劃（STEP,2019QZKK05010503，2019QZKK05010203），中國(guó)科學(xué)院西部之光計(jì)劃（021XBZG_XBQNXZ_A_006），四川省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（2024NSFSC1182）以及國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目（No. 32300350）的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/mec.17663
圖1 青藏高原科學(xué)考察兩棲動(dòng)物樣本信息。(A) 采樣點(diǎn)位置。(B) 119個(gè)樣本的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系?；?19個(gè)兩棲動(dòng)物樣本線粒體基因序列拼接構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，使用IQ-TREE軟件并進(jìn)行1000次bootstrap重復(fù)分析，不同物種以不同顏色的分支表示。(C) 10種兩棲動(dòng)物的采樣點(diǎn)海拔范圍。綠色和紅色點(diǎn)分別表示采樣點(diǎn)的最低和最高海拔。(D) 兩棲動(dòng)物樣本的物種分布。餅圖展示了來(lái)自不同兩棲動(dòng)物物種的樣本數(shù)量，不同顏色代表各個(gè)物種。(E) 兩棲動(dòng)物樣本的采樣點(diǎn)分布。餅圖展示了從不同采樣點(diǎn)采集的兩棲動(dòng)物樣本數(shù)量，不同顏色代表各采樣點(diǎn)。
圖2 基因表達(dá)變異、遺傳多樣性與環(huán)境因子之間的關(guān)聯(lián)（針對(duì)三種高原優(yōu)勢(shì)物種）。(A) 三種高原優(yōu)勢(shì)物種的環(huán)境因子變化情況。(B-D) Mantel分析分別展示中華蟾蜍（B）、高山倭蛙（C）和西藏齒突蟾（D）的基因表達(dá)、遺傳多樣性與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。線條的粗細(xì)表示相關(guān)系數(shù)（r）的大小，線條顏色反映顯著性水平（p值），而方塊顏色代表皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r）。
圖3高山倭蛙和西藏齒突蟾基因表達(dá)的差異與功能趨同。(A–B) 高山倭蛙和西藏齒突蟾在采樣點(diǎn)dg (A)和llz (B)的差異表達(dá)基因的表達(dá)模式。(C) 高山倭蛙和西藏齒突蟾差異表達(dá)基因的功能富集分析。圓形和三角形分別表示采樣點(diǎn) dg 和 llz；紅色和藍(lán)色填充分別表示在高山倭蛙和西藏齒突蟾中上調(diào)表達(dá)的基因。(D–E) 高山倭蛙和西藏齒突蟾的差異表達(dá)基因與功能富集項(xiàng)在采樣點(diǎn) dg (D) 和 llz (E) 的相關(guān)性。紅色和藍(lán)色圓圈分別表示高山倭蛙和西藏齒突蟾的上調(diào)基因；綠色圓圈表示富集功能項(xiàng)；紅色和藍(lán)色文字分別表示高山倭蛙和西藏齒突蟾在采樣點(diǎn) dg 和 llz 表達(dá)模式相似的上調(diào)基因。(F–G) 高山倭蛙和西藏齒突蟾在采樣點(diǎn) dg (F) 和 llz (G) 與自噬及氧化磷酸化相關(guān)的差異表達(dá)基因及其功能富集項(xiàng)。紅色和藍(lán)色條形分別代表高山倭蛙和西藏齒突蟾；紅色和藍(lán)色文字表示兩物種中上調(diào)表達(dá)的基因。