鸟类对青藏高原极端环境的适应性进化研究

The Qinghai-Tibet plateau (QTP) is known as "the third pole of the Earth" where hypoxia is one of the most extreme climate properties. Because of different evolutionary history, the QTP animals have formed different phylogeographical structures and genetic imprinting in response to the special Plateau environment. Only a few studies have been conducted, which mainly focused on the adaptation of mammals to the hypoxic environment of the QTP. Birds have much higher metabolic rate and hypoxia tolerance than mammals, but unfortunately, the research in this field is very poor. We have started to investigate the phylogeographical and endocrinological strategies of birds’ adaptation to the QTP, but we still do not understand well how these birds evolved to adapt to this extreme environment. Therefore, the current project proposes to compare phylogenetic relationships of some functional genes, e.g. hemoglobins(Hbs), myoglobin (Mb), hypoxia-inducible factors (HIF-1), vascular endothelial growth factor (VEGF) and some key genes of renin-angiotensin system (RAS) (e.g. ACE1 and ACE2) and to study their transcription and expression levels by integrating data on physiology, ecology and phylogeography. Our results would contribute to the understanding of the molecular evolutionary mechanisms of adaptive strategies of the QTP birds in response to the hypoxic environment. This proposal will greatly highlight and illustrate the biological mechanisms of the adaptive evolution of the endemic animal resources specific to the extreme environments on the highest plateau of the world.

青藏高原被誉为“地球第三极”，低氧是其最显著的环境特殊性之一。高原动物因具有不同的进化历史，进而形成了适应高原环境的不同谱系格局和遗传印迹。动物对青藏高原低氧环境适应的研究较少，且集中于哺乳动物，鸟类具有比哺乳类更强的新陈代谢率和低氧耐受性以适应飞翔生活，但目前在此方面的研究匮乏。我们早期对一些高原鸟类的谱系格局和内分泌适应开始了探索，但依然不知鸟类如何进化以适应高原极端环境。因此，本项目拟结合比较生理、生态与谱系地理学方法，探讨青藏高原鸟类与低氧适应相关的血液、组织形态学特征；比较不同类群血红蛋白、肌红蛋白、低氧诱导因子、血管内皮生长因子以及肾素血管紧张素系统等相关功能基因的系统发育关系；不同组织内各基因转录和表达水平的差异。从而系统地阐述青藏高原鸟类应对低氧环境适应策略的分子机制。本研究对解析青藏高原极端环境中特有动物资源的适应性进化机理具有重要意义。

青藏高原被誉为地球第三极，低氧是其最显著的环境特征。本项目结合生理、生态与谱系地理学方法，探讨青藏高原鸟类与低氧适应；挖掘部分物种相关功能基因的系统发育关系；阐述青藏高原鸟类应对低氧环境适应策略的分子机制。.我们首先分析了青藏高原鸟类的分布格局，发现山脉系统为其提供了冰期的避难地。鹛类物种的垂直格局与其进化历史、生态因素子密切相关。气温变化模型预测，西南山地受山脉垂直带的缓冲效应，将依然保持很高的物种丰富度。评述了血红蛋白分子进化及功能适应对物种分布的影响，比较了定居和移居物种间的不同适应机制，为未来高海拔低氧适应进化及高原医学研究提出新的思考，同时强调了整合分子、细胞和系统发育水平的重要意义。.发现高原麻雀体重和翅长与气候因子相关，以适应温度保持和飞行能力；其心脏、肺脏质量增大，以抵消缺氧的挑战。发现雪雀、麻雀血液里的皮质酮、睾酮及皮质酮结合蛋白等直接参了繁殖与生存之间的权衡，以适应不可预测的高原极端环境。.对喜鹊谱系地理研究，发现6个分支的谱系分化与上新世-更新世降温和干旱化有关。发现雪雀、山雀和马鸡类的线粒体全基因组特点相似。发现青藏高原隆起影响到藏马鸡-哈曼马鸡与褐马鸡-蓝马鸡之间的分化，而线粒体ATP8 基因经历了强烈的选择压力。.高海拔大山雀血红蛋白基因氨基酸位点发生了变化，但其种群遗传分化并伴随着基因流的模式受到了种群动态历史的影响。首次通过非模式物种大山雀的心肌纤维细胞培养，探讨了miRNA调节的高海拔适应机制，对其他动物的低氧适应机制研究具有重要的借鉴意义。.项目超额完成了所有考核指标，中期进展被评为优秀。发表学术论文24篇，其中第一标注论文14篇，其他标注论文10篇，SCI论文22篇。主办2次、参加21人次国际学术会议，大会、特约报告5人次。雷富民被推选为“国际鸟类学家联盟副主席”、入选重点领域创新团队负责人，国家万人计划领军人才。培养出站博士后1位；毕业博士、硕士研究生27位。