物種如何快速、有效地適應(yīng)變化的自然環(huán)境，是其生存和種群拓殖的必要條件。被稱為“第三極”的青藏高原代表著世界上最嚴(yán)酷的高原環(huán)境之一，然而許多生物在那里繁衍生息。以往我們對(duì)鳥類、動(dòng)物和人類的研究主要集中在表型分化后期的高分化群體，高原適應(yīng)過程的初始階段仍不清楚。通過對(duì)我們身邊最為常見的樹麻雀(Passer montanus)的群體基因組研究，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、心肌、飛行肌組織形態(tài)特征分析，發(fā)現(xiàn)了樹麻雀對(duì)高原環(huán)境的早期適應(yīng)機(jī)制。

　　樹麻雀是伴人物種，和人類活動(dòng)密切相關(guān)。通過對(duì)種群遺傳結(jié)構(gòu)、歷史動(dòng)態(tài)及全基因組性狀-基因關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)樹麻雀在青藏高原高海拔地區(qū)農(nóng)耕文明發(fā)展之后（大約3600年之前），才拓殖到青藏高原。在短短幾千年里，它們的心肌、飛行肌發(fā)生了明顯改變，而這些性狀直接與低氧、低溫環(huán)境的適應(yīng)能力相關(guān)。通過對(duì)樹麻雀高、低海拔種群進(jìn)行群體基因組學(xué)的比較研究，卻發(fā)現(xiàn)它們的遺傳分歧非常微弱，這與表型的高度分化顯著不同。

　　這種遺傳與表型間的不一致，致使研究者懷疑，性狀的可塑性，特別是短期應(yīng)激，可能是高原樹麻雀表型改變的重要原因。第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究任務(wù)五生物多樣性保護(hù)與可持續(xù)利用高原動(dòng)物多樣性保護(hù)和可持續(xù)利用專題研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)低海拔樹麻雀進(jìn)行了為期一個(gè)月的低氧習(xí)服試驗(yàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)，在低氧習(xí)服實(shí)驗(yàn)中，心肌、飛行肌的相關(guān)性狀并未呈現(xiàn)出短期應(yīng)激變化，可見，表型的可塑性未能解釋高原適應(yīng)的主要表型變化。通過對(duì)樹麻雀高、低海拔種群進(jìn)行群體基因組學(xué)的比較研究發(fā)現(xiàn)，全基因組上一系列和高原適應(yīng)性性狀相關(guān)的基因（如肌肉發(fā)育相關(guān)的基因）相對(duì)于基因組背景有著較高的遺傳分化。多個(gè)和表型性狀密切相關(guān)的基因位點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)頻率改變，驅(qū)動(dòng)了肌肉等表型性狀的快速改變。這一類過程也常被稱為多基因適應(yīng)(polygenic adaptation)。

　　此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)樹麻雀的高海拔適應(yīng)處于多基因效應(yīng)與生理可塑性改變的交匯狀態(tài)，有可塑性性狀變化，也有受到遺傳影響的性狀。與具有長期適應(yīng)進(jìn)化歷史的鳥類相比，樹麻雀性狀的改變可能更多地處于一種“亞健康狀態(tài)(suboptimal stages)”，處于多基因效應(yīng)與生理可塑性改變的交匯狀態(tài)。

　　該項(xiàng)研究開創(chuàng)了領(lǐng)域內(nèi)的諸多第一，研究團(tuán)隊(duì)在全球范圍內(nèi)第一次闡述了高原適應(yīng)過程的早期階段，為物種對(duì)特殊環(huán)境的適應(yīng)提出了一種新的動(dòng)態(tài)機(jī)制。研究人員首次發(fā)現(xiàn)高原適應(yīng)背景下物種的多基因適應(yīng)機(jī)制，大大拓寬了物種適應(yīng)新環(huán)境研究的視野和角度，為我們理解物種在極端環(huán)境下的適應(yīng)和演化提供了新的范例。該研究以“Rapid phenotypic evolution with shallow genomic differentiation during the early stage of high elevation adaptation in Eurasian Tree Sparrows”為題發(fā)表于National Science Review (2020，7：113-127；https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/113/5567447)。該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究專項(xiàng)（XDB13020300），第二次青藏高原綜合考察研究項(xiàng)目 (2019QZKK0501 and 2019QZKK0304)等項(xiàng)目的資助。

　　圖： Rho-ROCK 信號(hào)通路中的多個(gè)基因與高海拔樹麻雀的肌肉性狀改變相關(guān)

　　該文章在線發(fā)表之后，得到了國內(nèi)外數(shù)位專家的點(diǎn)評(píng)：

　　Yang Liu, 2020. ‘High altitude adaptation in a flutter of sparrows’ (https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/130/5614551).

　　Wang Wen, 2020. ‘An unusual case of early speciation associated with human activity’(https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/129/5624983).

　　Scott V. Edwards, 2020. ‘Genomics of adaptation and acclimation: from field to lab and back’ (https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/128/5624982).

　　Bettina Harr & Trevor Price, 2020. ‘Three thousand years in Tibet’ (https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/129/5624980).

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