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有翅膀却不会飞,这种鸭子太难了


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时间: 2019-10-28 10:34:19

本文经自然科学研究授权转载。欢迎参观和关注。

原作者:朱莉娅·克拉克

许多鸟很难找到飞行能力。研究人员通过比较不会飞和不会飞的船鸭的翅膀结构和基因组,提出了丧失飞行能力的可能机制。

进化过程可以通过研究新出现特征的基因序列来理解。然而,研究失去的特征也可以带来独特的见解。如果一个特征在不同的生物群中消失多次,我们可以使用强大的统计方法在基因水平上识别原因。campagna等人在《进化》杂志上发表的最新研究1]揭示了与鸟类飞行能力丧失相关的遗传变化。他们比较了59只船鸭(都来自鲎属)的整个基因组,并研究了飞行能力如何随着进化而逐渐消失。

图1|船鸭特有的逃生模式。不会飞和不会飞的鸭子都有一种独特的逃跑方式。他们在水上快速拍打着脚和短翅膀。坎帕纳等人[1]对所有种类的小鸭(包括图中所示的不会飞的短翅小鸭)的基因组进行测序,并用它们翅膀的测量数据对它们进行分析,以找出哪些基因表达的变化可能导致小鸭丧失飞行能力。资料来源:bill coster/flpa

船鸭通常生活在智利南部、阿根廷南部和福克兰群岛[的沿海栖息地和湖泊中。它们有一种独特的逃跑方式——它们在水中以极快的速度同步移动翅膀和脚,因为它们像桨船,因此得名“船鸭”(图1)。在鸭属中发现的四种鸭中,短翅鸭、灰鸭和白头鸭不能飞[2];在有飞行能力的斑点船鸭中,一些较重的鸭也不能飞行,主要是因为它们的翼载(重量与翼表面积的比率)大于它们较轻的同类。

所有的船鸭都能熟练地在陆地上行走、潜水觅食和躲避捕食者。与依靠翅膀进食的海雀和企鹅不同,船鸭不用翅膀获取食物。然而,潜水时船鸭使用翅膀,而不会飞的船鸭的飞行肌肉和重量仅比船鸭[2]稍小。

研究人员无法确定这些不会飞的鸭子是在它们各自的进化过程中失去了飞行能力,还是它们都是从不会飞的鸭子分支[2]进化而来的。解决这一争端将有助于我们更深入地了解可能导致飞行能力丧失的环境或生态因素。

鸭子是一个进化历史相对较短的群体,估计只有大约200万年的历史。campagna等人通过基因组比较指出,灰头鸭和白头鸭这两种陆生物种的飞行能力丧失发生在进化分支的早期,时间相对较短。相比之下,生活在海岸上的斑点船鸭和短翼船鸭有着更密切的亲缘关系,最近才分裂成两个分支,可能还在杂交。总的来说,作者的基因组比较结果表明,飞行能力的丧失可能是三种条件下独立进化的结果,但对此有不同的解释。

Campagna等人还筛选了基因组中的单核苷酸多态性(snp,即dna序列特定位点的单核苷酸被替换),从而确定了dna序列差异最大的飞行个体和非飞行个体的基因组部分。研究人员还将测序船鸭的翼骨和骨比的测量结果与基因组数据联系起来,从而区分不同个体之间哪些遗传差异与翼形有关,哪些与翼形或偶然的遗传差异无关。值得注意的是,一些斑点和短翼的船鸭具有与飞行和非飞行相关的基因序列,这些基因序列都与翼长有关。因此,飞行能力的丧失可能发生在船和鸭的进化过程中。

campagna等人鉴定的大多数与肢体测量差异相关的SNPs发生在dyrk1a基因中或其周围。因此,作者认为dyrk1a表达和功能的改变可能导致未展开鸭肢长与体重的比值较低。作者还指出,携带更多dyrk1a基因拷贝的小鼠也显示出更多的肢骨差异,[3]。此外,一些研究发现dyrk1a基因拷贝数的增加可能与人类唐氏综合征的一些症状有关,包括体型和长骨长度之间的差异,特别是前肢[4]。尽管campagna等人无法确定鸭体内dyrk1a的拷贝数,但观察到的遗传差异对鸟类发育的影响可以通过未来的实验来确定。

不能飞行的物种种类繁多,飞行能力的丧失也发生在各种环境中。这将在该物种学会并掌握一种水生运动模式后发生,例如潜水或划船,并且在食肉动物较少的陆地环境中更常见。后者的一个例子是铁路。作为鹤的近亲,它们几乎总是在不同的岛屿上着陆后失去飞行能力(这种现象有时会在同一个岛屿上反复出现,[5)。

如果我们不考虑可能导致飞行能力丧失的各种环境,这种能力的丧失通常伴随着机翼长度相对于身体其他部分的长度的减小,使得机翼过载而不能飞行。然而,翅膀肌肉组织、皮肤和羽毛的变化,以及感觉系统和骨骼其他部分的变化,在不会飞的物种中是非常不同的。因此,很难确定这些变化是否与飞行能力的丧失或其他因素有关。值得注意的是,与船鸭飞行能力丧失相关的遗传变化和翅膀形状变化被认为与它们获得划船能力同时发生。挥舞翅膀划桨的鸟通常翅膀较短。因此,很难判断影响机翼形状的遗传变化是与划船能力的获得有关还是与飞行能力的丧失有关。

在过去几年里,在遗传水平上对飞行能力损失的研究取得了一些实质性进展,[6,7]。[6]的一项研究发现,三只飞翔的鸬鹚和它们不会飞的近亲——弱翅鸬鹚之间存在基因组差异,弱翅鸬鹚主要分布在与纤毛功能相关的基因中或其周围——纤毛是能够介导骨骼发育所需细胞信号的细胞过程。然而,弱翅鸬鹚的飞行肌肉和胸骨相关部分比它的可飞亲属小得多(在可飞和不可飞的鸭子[2号之间没有发现这种差异)。

另一项研究[研究了平胸鸟类丧失飞行能力的另一种机制。平胸鸟,包括鸵鸟、鸵鸟和猕猴桃,很久以前经历过多次飞行退化。研究人员发现,一些基因的表达会改变平胸鸟类的前肢结构,而飞行和非飞行物种在调节这些基因表达的dna区域有差异(不同于在船鸭中发现的那些)。这些基因在发育过程中表达的变化会导致前肢缩短,[7]。

这些基因组研究发现了飞行损失的各种机制,但这些机制并不一定相互矛盾。事实上,一种新出现的观点认为,导致机翼形状和长度变化的遗传机制可能与飞行能力丧失的各种生态环境一样多样。也许这并不奇怪——对哺乳动物手指缩短的研究也发现了不同的机制[8,9],而具有相似亲缘关系的各种蜂鸟[10]对适应高海拔环境有不同的遗传机制。今后,我们需要对[博物馆的标本进行进一步的研究,以促进发育生物学和解剖学的进一步发展,从而深入了解表型背后的遗传变化,如无法飞行。

参考:

1.campagna,l .,mccracken,k. g. & lovette,I . j . evolution https://doi . org/10.1111/Evo . 13758(2019)。

2.livezey,b. c. & humphrey,p. s. evolution 40,540–558(1986)。

3.blazek,j. d .,abeysekera,I .,li,j. & roper,r. j. hum。摩尔。genet.24,5687–5696(2015)。

4.伯恩斯坦,s. n .,saller,d. n .,catov,j. m. & canavan,t. p. int。j .妇科。奥博斯特。133,287–290(2016)。

5.休谟,j. p. &马丁,d. zool。j. linn。soc.186,666–672(2019)。

6.burga,a. et al.science356,eaal3345 (2017)。

7.sackton,t. b. et al.science 364,74–78(2019)。

8.cooper,k. l .等人,《自然》511,41–45(2014)。

9.lopez-rios,j. et al. nature 511,46–51(2014)。

10.lim,m. c. w .,witt,c. c .,graham,c. h. & dávalos,l. m. genome biol .evol。11,1573–1585(2019)。

11.lamichhaney,s. et al. phil .trans。r. soc。b 374,20180248 (2019)。

原文标题为“蒸笼鸭飞行进化的基因组机制”

发表在2019年7月31日《自然》杂志上的新闻和观点

自然| doi:10.1038/d 41586-019-02234-y

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本文由斯普林格自然上海办事处翻译。中文内容仅供参考,所有内容以英文原件为准。欢迎转发到朋友圈,如果需要转载,请发邮件给chinapress@nature.com。未经授权的翻译是侵权行为,版权所有者保留追究法律责任的权利。

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