高海拔适应鸟类血红蛋白非平行进化的种群背景成因

The adaptive responses of closely related species in the same or similar extreme environment might be incongruent in phenotypes and molecular mechanisms that are attributable to genetic divergence and population background. In the high-altitude adaptation of the Sino-Himalayan birds, we found non-parallelism in closely related congeners, but parallelism, though rare, in more distantly related species in Parids. The explanations for the latest findings in other high-altitude birds are inconsistent because of lacking further population background studies. Based on our previous studies, we plan to choose sister parid pairs in independent clades to test the adaptive hypotheses of standing genetic variants, spatially varying selection and adaptive introgression by integrating biochemical phenotypes with sub-genomic linkage disequilibrium, site-frequency spectrum, and genomic clines in order to understand adaptive divergence and non-parallelism in avian high-altitude adaptation. This proposal signifies a comprehensive studying strategy to further explain the causes and process of divergence and parallelism in avian high-altitude adaptation and supplies a study strategy for the population background of adaptative evolution in other vertebrates. Also, this would complement some natural functional variants and causal mechanisms for hemoglobin studies.

不同物种对相同极端环境压力的适应性反应，可能由于所在分支间的分歧程度和种群遗传背景而形成表型和分子机制差异。对中国喜马拉雅区鸟类高海拔适应进化研究发现，高海拔相同的血红蛋白表型仅对应少数远缘种的平行分子替代，而同属近缘种间出现表型和基因型的非平行进化。最近在其他高海拔鸟类发现的少数类似规律，因缺乏对种群背景成因的深入研究而未得出一致解释。基于此研究背景，本研究选择山雀科独立进化分支中海拔梯度分布的姐妹种，结合重构表达祖先蛋白的功能测定和血红蛋白基因的连锁不平衡、位点频谱和渐变分析，检验适应性进化中的固有遗传变异、空间变化选择和适应性渐渗假说，以理解鸟类高海拔适应性表型分化和非平行进化形成原因。通过分析血红蛋白分子进化的种群背景成因，该研究将进一步解释鸟类高海拔适应性分歧和非平行进化过程，对鸟类等脊椎动物的适应进化机制提出可以借鉴的种群背景研究方案，同时补充血红蛋白天然突变位点和结构机制。

该项目基于负责人对青藏高原雀形目鸟类高海拔适应中同时存在血红蛋白分歧和平行分子进化适应机制的最新研究结果。由于该结果与鸟类高海拔适应趋同尚未得出一致规律，项目立项于从已知低氧适应功能蛋白的适应性进化模式中探索不同海拔梯度分布近缘种山雀（Paridae）的种群遗传背景、低氧适应通路和基因组架构所起的决定作用。通过本项目支持，我们首先获得山雀科三对近缘种国内种群的呈海拔梯度分布的新鲜血液样本，并对鸟类成体表达血红蛋白亚型的αΑ-globin, αD-globin和βA-globin基因进行cDNA文库构建和高保真扩增克隆测序，以确定每个基因的海拔梯度种群基因型。其次，基于基因型的HA和LA种群分组，进一步合并三个亚基氨基酸单倍型一致个体的压积血细胞样品，经过细胞裂解、透析和纯化后获得天然血红蛋白的两种成体亚型蛋白，并通过等电聚焦电泳分析不同等电点isoHb表达比率和不同细胞环境条件下的isoHb氧合属性。项目第二部分对于种群背景分析样本的平行扩增子测序，包括αΑ-和αD-globin连锁chr14的48.2kb，βA-globin连锁chr1的22.9kb，调控血细胞和浓度的低氧适应通路~128kb基因组构架。由于平行扩增方法限制下的长片段基因完整度不足，实验数据对种群背景的解释力缺乏，项目改进为基于多重PCR（<5kb）和长片段PCR（5~40kb）目的基因或片段捕获的二代建库测序，目前完成了引物设计和扩增条件的预实验。为了相比扩增子建库测序更高效地获得基因型和表型可塑性数据，项目后期增加了转录组样本，已完成Periparus姐妹种的转录组de novo测序、组装和注释。经过用目的基因和转录组组装数据比对后，进一步分析发现，比对结果中出现主要发生在骨髓组织的血红蛋白家族假基因，可能与红细胞发育调控相关，正在进行实验验证。整合分析种群遗传背景，该研究最终将阐释鸟类高海拔适应性分歧和非平行进化过程和机制，补充血红蛋白的天然突变位点及结构机制，为进一步对异位显性遗传机制的研究铺垫基础。