蝙蝠短波长敏感视色素进化的分子机制研究

The ultraviolet (UV) vision of bats (Chiroptera) has been increasingly discussed during recent years. Researchers tried to answer the question using various methods, such as sequence analysis of short wavelength-sensitive type 1 (SWS1) opsin, and also behavioral, electrophysiological and immunohistochemical experiments. Although the studies suggest UV vision is widespread in bats, no functional assay has been performed to their SWS1 visual pigments. To understand the evolution of bat color vision, it is necessary to study 1) whether all extant bats can perceive UV light; 2) whether the ancestor of bats had UV-sensitive visual pigment; 3) whether the wavelength of maximal absorption (λmax) was shifted during the evolution of bats. The proposal is focusing on the genetic basis of SWS1 pigment evolution in bats. To determine the λmaxs of both contemporary and ancestral SWS1 pigments, and illuminate the genetic basis of SWS1 pigment evolution, we are planning to undertake molecular evolution analysis, ancestral gene reconstruction, site-directed mutagenesis and in vitro functional assay for the pigment. This study will provide new evidence to understand the adaptation of UV or violet vision during the evolution of bats.

近年来对蝙蝠（翼手目动物）紫外视觉的研究逐渐得到越来越多的关注，例如对蝙蝠短波长敏感（SWS1）视蛋白序列的研究，以及行为学、电生理和免疫组织化学等方面的研究。这些研究表明紫外视觉可能在蝙蝠中普遍存在，但是目前仍缺乏对其SWS1视色素功能的验证。研究现生蝙蝠是否均具有紫外视觉，蝙蝠祖先的SWS1视色素是否对紫外光敏感，以及蝙蝠进化过程中SWS1视色素的最大吸收波长（λmax）是否产生了偏移等问题是理解翼手目动物色觉进化的关键。本项目将围绕蝙蝠SWS1视色素进化的分子机制这一关键科学问题展开研究。拟通过分子进化分析、祖先基因重建、定点突变、视蛋白的体外表达以及视色素λmax的测定等方法确定蝙蝠及其祖先SWS1视色素的功能，揭示其进化历史及分子机制。本项目的研究结果将为理解紫外光或紫光视觉在蝙蝠进化过程中的适应性意义提供新的依据。

翼手目动物蝙蝠是兽类中的第二大类群，物种数量已达到1400余种。大部分蝙蝠可以使用喉部发生回声定位能力捕食昆虫，这些物种的听觉发达而眼睛退化；另一方面，旧大陆果蝠不具有回声定位能力，主要依赖视觉和嗅觉寻找食物。有研究表明具有恒频回声定位能力的菊头蝠和蹄蝠均丧失了SWS1基因，这一视觉的退化可能与其具备发达的听觉能力间存在感官代偿机制。另外，研究人员还发现一些洞栖的果蝠也丧失了SWS1基因，可能与其较暗的栖息环境有关。但是，不同蝙蝠物种及其共同祖先SWS1视色素的功能究竟如何，是否还有其他蝙蝠物种丧失了SWS1基因等科学问题仍需进一步回答。在本项目中，我们首先通过测序得到代表性蝙蝠物种SWS1基因的完整编码区序列，并对这些基因进行蛋白的体外表达和功能测定；随后通过分子进化分析推测蝙蝠祖先SWS1的序列并测定其功能；最后，通过定点突变实验对帕式髯蝠SWS1视色素功能丧失的分子机制进行研究。研究结果表明，蝙蝠祖先SWS1视色素的最大吸收波长（λmax）为358nm，即对紫外光敏感。在随后的进化过程中，大部分蝙蝠物种仍保留有紫外色觉且其SWS1视色素的功能十分保守（λmax值在357-359nm之间），因此说明紫外色觉对其生态适应能力十分重要。与此不同的是，我们发现两种吸血蝙蝠的SWS1基因独立地发生了假基因化，其紫外色觉的丧失可能与吸血蝙蝠捕食对象的转变有关。定点突变研究结果表明，三个关键氨基酸替代可以导致帕式髯蝠SWS1视色素丧失感光功能。本项目的研究结果进一步揭示了紫外色觉与蝙蝠生态习性间的关系，并阐明了若干蝙蝠物种紫外色觉丧失的分子机制。在本项目的资助下共发表学术论文五篇，其中第一标注四篇、第二标注一篇。