作為中國(guó)十二生肖之一，蛇是廣為人知、廣泛分布的一類爬行動(dòng)物，成語(yǔ)“畫蛇添足”則告誡人們蛇是無(wú)足(沒(méi)有四肢)的動(dòng)物。不過(guò)，蛇類如何起源的？最初有沒(méi)有四肢？如果有的話，又是如何在演化過(guò)程中丟失的？這些問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)備受學(xué)界關(guān)注，公眾也頗為好奇。
(相關(guān)資料圖)
約1.18億年前由穴居蜥蜴演化而來(lái)
中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所(中科院成都生物所)研究員李家堂團(tuán)隊(duì)通過(guò)選取全球極具代表性的不同支系的蛇類，結(jié)合大規(guī)模多組學(xué)技術(shù)與基因編輯等多學(xué)科交叉研究手段，系統(tǒng)闡釋了蛇類的起源與特殊表型演化的遺傳機(jī)制。
蛇類基因組演化特征?！≈锌圃撼啥忌锼? 供圖研究團(tuán)隊(duì)基于染色體水平蛇類基因組數(shù)據(jù)集，最新成功構(gòu)建出迄今最有力的蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架表明，蛇類起源于約1.18億年前早白堊紀(jì)，由穴居蜥蜴演化而來(lái)，也是四足動(dòng)物四肢缺失的特化類型。
由中國(guó)科學(xué)家完成的這一全面揭示蛇類起源演化謎團(tuán)的重要研究成果論文，北京時(shí)間6月19日夜間在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)在線發(fā)表，并將于7月6日在第186卷14期以封面論文形式正式刊印。
論文通訊作者李家堂研究員指出，研究團(tuán)隊(duì)基于多種高通量基因組測(cè)序技術(shù)，從頭組裝并拼接出14個(gè)高質(zhì)量參考基因組(其中12個(gè)為染色體水平)代表12個(gè)不同蛇科。同時(shí)，結(jié)合近200個(gè)多物種多組織轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)及基因編輯等功能實(shí)驗(yàn)，深入探討蛇類的起源及表型演化遺傳機(jī)制。
蛇類四肢缺失、身體延長(zhǎng)、內(nèi)臟器官不對(duì)稱發(fā)育等重要遺傳機(jī)制?！≈锌圃撼啥忌锼? 供圖該研究表明，蛇類起源于約1.18億年前的早白堊紀(jì)，與親緣最近的蜥蜴類(帝王蛇蜥、科摩多巨蜥等)的最近共同祖先是“姐妹”關(guān)系，提示蛇類的祖先可能是某種蜥蜴。在演化過(guò)程中，蛇類最先分化出的類群為盲蛇，并在約6500萬(wàn)年前白堊紀(jì)-早第三紀(jì)分界點(diǎn)的生物大滅絕事件之后，迎來(lái)蛇類物種的爆發(fā)。
破解四肢缺失身體延長(zhǎng)等演化之謎
李家堂介紹說(shuō)，目前全球已知蛇類約有4000種，廣泛分布于除南極洲外的各大洲陸地和海洋，棲息地多樣，適應(yīng)能力強(qiáng)，以高度特化的重要表型如四肢缺失、身體延長(zhǎng)、視覺(jué)和聽覺(jué)退化、紅外感應(yīng)增強(qiáng)、左右肺不對(duì)稱發(fā)育等特殊表型，在進(jìn)化歷史上處于脊椎動(dòng)物演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是脊椎動(dòng)物重要類群和研究動(dòng)物復(fù)雜性狀形成機(jī)制的理想類群。
蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架?！≈锌圃撼啥忌锼? 供圖本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)基于比較基因組與基因編輯等多學(xué)科交叉手段發(fā)現(xiàn)，蛇類PTCH1蛋白特異性缺失的3個(gè)氨基酸殘基，可能是其四肢缺失的重要遺傳機(jī)制之一；大量編碼及非編碼調(diào)控元件的快速演化驅(qū)動(dòng)了蛇類身體的延長(zhǎng)，為適應(yīng)身體延長(zhǎng)，蛇類的內(nèi)臟器官發(fā)生了不對(duì)稱發(fā)育，如其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達(dá)；蛇類丟失了控制器官對(duì)稱發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因，則是其左、右肺不對(duì)稱發(fā)育的重要遺傳因素。
此外，這次研究還探討了紅外感應(yīng)蛇類和穴居的盲蛇類物種特殊表型的演化遺傳機(jī)制，發(fā)現(xiàn)與熱響應(yīng)相關(guān)的PMP22基因、與三叉神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的NFIB基因的非編碼調(diào)控元件的趨同演化，是部分蛇類感知紅外光譜的重要遺傳驅(qū)動(dòng)力。盲蛇類物種則通過(guò)RPGRIP1等基因的丟失、CHIA等基因的快速演化以適應(yīng)穴居生活，并形成專食螞蟻及螞蟻卵的食性。
蛇類特有性狀的演化遺傳機(jī)制。 中科院成都生物所 供圖未來(lái)將聚焦開發(fā)玉米蛇為模式動(dòng)物
李家堂表示，本次研究率先啟動(dòng)了爬行動(dòng)物大規(guī)模組學(xué)研究，對(duì)理解脊椎動(dòng)物演化歷史具有重要意義，將推動(dòng)動(dòng)物演化生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
研究團(tuán)隊(duì)在野外開展蛇類研究工作?！≈锌圃撼啥忌锼? 供圖最新研究結(jié)果支持了學(xué)界此前關(guān)于蛇類是由蜥蜴演化而來(lái)的假說(shuō)，將加深人們對(duì)蛇類的起源及其復(fù)雜性狀的形成機(jī)制的理解，并進(jìn)一步推動(dòng)爬行乃至脊椎動(dòng)物演化發(fā)育生物學(xué)研究，亦可為動(dòng)物遺傳育種及人類相關(guān)疾病的防治提供重要啟示和科學(xué)支撐。
研究團(tuán)隊(duì)在野外開展蛇類研究工作。 中科院成都生物所 供圖展望未來(lái)，李家堂透露，研究團(tuán)隊(duì)后續(xù)將聚焦開發(fā)玉米蛇為模式動(dòng)物并開展演化發(fā)育生物學(xué)研究。同時(shí)，圍繞蛇毒等重要遺傳資源的挖掘和運(yùn)用，為抗蛇毒血清及蛇毒衍生藥物的研發(fā)提供科學(xué)支撐。研究團(tuán)隊(duì)還將推動(dòng)從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，以更好服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。(完)
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