海拔对青藏高原沙蜥表型、蛋白进化及物种形成的影响

The Qinghai-Xizang Plateau is the world's youngest and highest plateau with an average elevation of 4500 meters and a total area of 2500000 square kilometers, and has become an important research area in evolutionary biology because of its unique natural geographical and historical features. Endemic Phrynocephalus viviparous lizards are good model organisms for evolutionary analyses due to the fact that they are widely distributed across the plateau, with six species that span an elevational range of 2500 meters. In this study, Phrynocephalus lizards in the plateau will be selected to explore the effects of elevational gradients on evolution of phenotype and proteins using the macro and micro biology research methods. Phylogenetic relationships within- and among these species will be reconstructed using molecular markers originating from mitochondrial DNA and nuclear transcripted cDNA sequences. Moreover, the mechanism of species divergence along elevational gradients will be investigated using a combination of phylogenetic and phylogeographic analytic methods. The successful execution of this study will not only have theoretical significance in animal evolutionary biology, but also be of important reference value for geography. It will help to further clarify whether animal evolution on the Tibetan Plateau since the late tertiary is correlated with environmental changes.

青藏高原是地球上最年轻和最高的高原，平均海拔4500米，总面积250万平方千米，以其特有的自然地理历史环境成为进化生物学研究的一个重要区域。卵胎生沙蜥在高原上分布广泛，有6个种，都是高原特有种，分布区海拔跨度达2500米, 是研究进化生物学的好材料。我们以青藏高原的沙蜥为研究对象，以宏观和微观研究的方法和手段研究青藏高原海拔梯度对沙蜥表型和蛋白进化的作用，通过线粒体基因组和核基因转录组蛋白分析，建立物种系统发生谱系，借助系统发生理论和系统地理学原理，阐明沿海拔梯度沙蜥的物种形成机制。本项研究不仅在动物进化生物学领域具有理论意义，而且在地学领域有重要参考价值；有助于进一步阐明第三纪晚期以来青藏高原环境演变的进化生物学的意义。

从种内与种间水平，应用表型、分子遗传标记、线粒体基因组与转录组，我们对沙蜥沿海拔梯度的表型、蛋白进化与物种形成开展研究，取得了一些研究成果。（1）以海拔4200米为分界线，西藏沙蜥雌性沿海拔梯度个体大小变异呈现U型特点，雄性随海拔上升个体变大，其个体大小变异不符合Allen规律。4200米以上个体大小变异主要受光照与日活动时间的影响。（2）以贵南沙蜥为例，研究证明高原沙蜥腹部黑斑对在低温环境下的热调节具有重要作用，另四肢（比躯干具有更高的升、降温速率）与肺部呼吸对热调节也作用明显。（3）西藏沙蜥有两大系统进化分支，它们在5.28（3.47-7.03）百万年前（Ma）分歧，两主分支随后在3.86（2.40-5.39）Ma与4.31（2.97-5.79）Ma分歧，物种界定分析支持四个分支为潜在的候选物种。（4）线粒体基因组系统学研究继续支持卵生沙蜥与胎生沙蜥为单系，两大分支祖先约在10万年前开始分歧。并且，我们发现应用BEAST分割数据进行分歧时间估算，当分割数据数量超过4个的时候，其分歧时间估算的准确性就会受影响，超过8个会受到很大影响，严重低估分歧时间平均值与概率分布。我们提出了BEAST运行分析的参数校正办法，用于修正此问题。（5）我们对沙蜥沿海拔梯度的线粒体蛋白组进化进行了研究，研究表明线粒体呼吸链复合物I的疏水区受到相比其它区域更为强烈的选择作用，筛选出的10个线粒体蛋白选择进化位点有九个位于该区域，ND4有两个选择位点对质子转运通道的氨基酸残基具有显著的协同进化作用。表明沙蜥沿海拔梯度其线粒体蛋白受到了长期的强烈正选择作用，以适应高海拔恶劣环境。而一些分支随着海拔与纬度的上升受到较近期的正选择作用。（6）转录组数据11个沙蜥物种共享的2136个蛋白，筛选出311个以上蛋白受到强烈的正选择作用，一些蛋白与在高海拔低温、低氧与高紫外辐射的适应与进化相关。