小熊猫苦味受体基因的适应性进化研究

Animal’s ability for adaptation to environment is vital for their survival and reproduction. The sense of taste, as a chemosensory system dedicated to the evaluation of the physical and chemical features of the outside world, plays a vital role in animal’s foraging behavior and dietary shifting, and evolved as a key defense mechanism against ingestion of harmful substances. Previous studies revealed that diet shapes the evolution of the taste receptor genes, and taste receptor genes are the molecular basis of animal's feeding behavior. Therefore, studies on animal's taste receptor genes will deepen our understanding into their feeding ecology. Although it belongs to the order Carnivora, the red panda is well known for its being a vegetarian, feeding on bamboo, which prompts the interest on their dietary shifting and adaptive evolution of its feeding behavior. In this study, we seek to explore the role of bitter taste receptor genes plays in its adaptation to the specialized food spectrum by analyzing on the receptor genes' number, nonsynonymous and synonymous polymorphic sites, pseudogenization, selection pressure, evolution models, and the differences in adaptive evolution from individuals，populations and species. The results of this study will deepen our understanding to the mechanism of animal’s ability adapting to environment, and will be the basis of the conservation and management strategies enacted for red panda.

生物适应环境变化的能力是其赖以生存和繁衍的基础，而味觉作为动物感知外界环境变化的一种化学感应系统，在动物觅食行为、食性转变等方面起着至关重要的作用，并作为一种防御机制帮助其避免摄入有害物质。最近研究显示，食性是驱动动物味觉受体基因进化的重要动力，而味觉受体基因是动物觅食行为的分子基础。因此，研究动物味觉受体基因的进化将深化我们对动物觅食生态学的认识。小熊猫是食肉目中典型的植食性动物，其食性转变与适应性进化机制一直广受关注。本研究项目拟通过对小熊猫苦味受体基因的数量、多态位点、假基因化、选择压力、进化模型及在个体、群体和种间水平上的进化差异进行研究，以期阐明小熊猫苦味受体基因适应其食性转变的进化机制，深化我们对动物适应环境的遗传学机制的认识，也为合理地制定和实施小熊猫保护管理策略提供切实的科学依据。

苦味受体介导动物对苦味物质的感知，对动物适应环境起到重要作用，其进化是以回应各物种特异的食性。小熊猫（Ailurus fulgens）和大熊猫（Ailuropoda melanoleuca）是食肉目中食性转变为专食竹子的唯二物种，其食谱中竹子占比超过90%。因为竹子等植物性食物较动物性食物含有更高比例的苦味化合物，因此我们推测小熊猫和大熊猫在食性转变过程中势必伴随着其苦味受体基因的适应性进化。适应性进化特征的存在性检验是阐明小熊猫和大熊猫进化潜力的重要内容，也是评估小熊猫和大熊猫保护生态价值的重要依据。因此，在本研究中，我们开展了小熊猫及其相关物种苦味受体基因的适应性进化分析。结果表明，相较于其他食肉目动物，无论是小熊猫还是大熊猫都拥有更多具有潜在功能的苦味受体基因，且小熊猫和大熊猫发生假基因化的苦味受体基因不同，各苦味受体基因在这两物种中受到自然选择模式也不同。TAS2R62在小熊猫中受到纯化选择，TAS2R1、TAS2R9和TAS2R38在大熊猫中受到纯化选择，提示这类基因在小熊猫和大熊猫食性适应过程中各自具有重要功能。特别是大熊猫TAS2R42受到了显著的正选择作用，提示其在大熊猫食性转变过程中发挥重要作用。以上结果表明苦味受体基因在小熊猫和大熊猫的食性转变过程中发生了适应性进化。此外，我们还进一步从细胞学上功能性验证了TAS2R20位点变异能显著降低秦岭大熊猫对竹叶中富含的槲皮苷的敏感度，提示大熊猫可能通过此类策略适应高含苦味化合物的竹子。总的来说，本研究从小熊猫和大熊猫食性适应的角度阐明了其成功通过了历史上残酷气候地理环境变迁所带来的考验，表明其具有较高的进化潜力，能应对未来气候地理环境变化可能带来的生存挑战。