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西工大学者在Science连发3篇论文,揭示反刍动物秘密

简述: 西工大学者在Science连发3篇论文,揭示反刍动物秘密      来源:无限代教学网

反刍动物是超越200种特殊的陆生植食性动物的统称,包括常见的牲畜,如牛、羊等。它们是世界上最胜利的哺乳动物类群之一,不只散布极广,其数量也极为庞大。

中国学者及其协作者连发三文提醒反刍动物顺应性进化之谜,图片来源Science

6月19日,西北工业大学教授、演化生物学家王文及其协作者在国际顶级期刊Science 连发三篇文章,细致论述了反刍动物的顺应性进化,以协助人们深入了解了反刍动物进化进程中的制胜秘诀,同时也为相关的畜牧和动物维护等工作奠定了根底。

 “这些结果关于我们了解反刍动物的演化历史,再生医学、肿瘤生物学、睡眠紊乱和骨质疏松症等医学研讨,以及培育新种类牲畜都有重要意义。” 王文教授对《学问分子》表示。

西北工业大学教授王文,图片来自nwpu.edu.cn

十年前,王文和同事启动山羊、绵羊基因组项目时就在酝酿研讨反刍动物。

“反刍动物无论科学和应用上都有重要意义,但遗憾的是,这么一群如此重要的哺乳动物,以至连科级程度的分类都存在争议,它们各种共同性状的遗传根底也多半是谜。”王文通知《学问分子》。

所幸的是,西北工业大学与国际上20多个机构一同,完成了反刍动物基因组方案项目,并发表了这三篇研讨长文,以说明反刍动物一系列重要的科学问题。

简言之,这三篇论文主要提醒反刍动物如下三个重要的特征:瘤胃、骨质角以及如何顺应极端的环境。

王文对《学问分子》表示,“科学上,反刍动物独有的瘤胃和骨质角是动物进化史上器官性状创新的一个奇观,自亚里斯多德的《动物志》到拉马克的用进废退学说,再抵达尔文的自然选择理论,反刍动物都被高度关注。关于鹿角,它是哺乳动物中独一能完整再生的器官,美国布朗大学的Richard Goss曾写下这样的感慨,‘鹿角是如此地不可思议,要不是它们一路进化成了它们今天的容貌,就算是最有想象力的生物学家穷尽他们最海阔天空的想象力,也想象不出今天鹿角的样子’”。

反刍动物有哪些特殊之处?

反刍动物被称为反刍动物,正是由于其进食方式——反刍。进食时,它们会粗略咀嚼后咽下食物,然后躺着或坐着将半消化的食物从胃里返回嘴里再次咀嚼,而这一过程需求一种特殊的消化器官的协助——多室胃(multichambered stomach)。

反刍动物多室胃的构造,图片来源Science

典型的多室胃分为四个局部:瘤胃(rumen)、网胃(reticulum)、瓣胃(omasum)和皱胃(abomasum)。其中瘤胃是消化的主战场,瘤胃中的微生物可协助消化食物中大量难以消化的纤维。四个胃协同作用使得反刍动物相比其他植食性哺乳动物如马等动物,能更高效地消化植物,这恰恰是反刍动物胜利顺应环境的关键要素之一。

反刍动物还是现存独一具有骨质角(headgear)的动物类群。不同科的反刍动物具有不同形态的角,如长颈鹿科的角仅仅是被头皮掩盖的骨质突起,而牛科和鹿科动物却能长出骨质的长角。

长颈鹿和牛的骨质突起,图片来源Wikipedia

这些角常常能够快速生长,即便折断也能继续冒出新的来,如鹿角每天最多能够长长2.5cm,几个月时间就可长成一个10kg的大家伙。这种特性为研讨再生医学和组织工程的科学家带来了灵感,使得人们希冀可以发现反刍动物的角快速生长的机密。

反刍动物还可顺应多样的环境,以至能够顺应某些极端环境。生活在青藏高原的牦牛彰显了它们强大的生命力,但驯鹿的存在再次刷新了我们对反刍动物顺应才能的认知,它们生活在残酷的北极、亚北极的冰原和苔原上,时辰会面临严寒、极为有限的食物供给以及极昼或极夜的环境。

那么,终究是怎样的基因特征,让反刍动物具有如此强大的消化才能以及能在极端环境下生存的生理特征?

反刍动物的基因特征

为了答复上述问题,研讨者聚集了6个科44种反刍动物的高质量全基因组,并应用谱系组学(phylogenomics)的相关办法构建了它们的全基因组系统发育树。以此为根底,研讨者就可以理解到它们生态、行为、形态、生理、生活史等各个方面生物多样性特征的遗传学和进化的根底。

反刍动物种群数量的减少与人类的扩张同步发作,图片来源Science

研讨者还发现,在距今约10-5万年前,不同大洲反刍动物的种群数量均阅历了急剧降落,与人类抵达各大洲并停止大范围扩张的时间堆叠,因而他们推断,人类活动或许是招致这一时期哺乳动物数量减少的可能缘由。

基因组提醒了多室胃的演化进程,图片来源Science

此外,研讨者还找到了很多与胃室、体型大小、奔跑才能、共同的牙齿形态、免疫和代谢等性状相关的基因,并提醒了这些基因是怎样在自然选择等进化力气的作用下发作顺应性的变化,进而协助反刍动物顺应多元的环境。以反刍动物的多室胃为例,研讨标明,瘤胃、网胃和瓣胃实践上是由食管(esophagus)演化而来的,而皱胃却是由十二指肠(duodenum)演化而来的。

在先前研讨的根底上,研讨人员聚集了221个牛科和鹿科动物的转录组并停止了剖析,发现反刍动物的角具有共同的基因、细胞和组织来源;而无角的麝科和獐亚科都展示出同一个关键基因的趋同丧失,这解释了为什么只要反刍动物才进化出了骨质的角。

进一步的生物信息学剖析标明,肿瘤发作和神经发作相关的途径可能介导鹿角的快速再生;特别是大量的抑癌基因,如p53通路的基因遭到了激烈的自然选择,可能与鹿科动物癌症发作率很低有关。这标明,鹿角再生才能和鹿的抗癌才能源于同一通路调控,理解这一机制,将会为再生医学和癌症研讨带来新的契机。

 

鹿角的再生循环,图片来源Science

对驯鹿基因组和非反刍类动物的基因组停止比拟基因组学剖析,研讨人员发现了它们顺应北极环境的奥妙。首先,驯鹿进化出相似企鹅和北极熊的脂肪代谢方式以对立严寒;其次,驯鹿与昼夜节律相关的基因发作了突变,招致它们简直没有昼夜节律,因此能顺应北极地域的极昼和极夜;此外,驯鹿控制维生素D代谢的基因在自然选择的作用下,两个关键酶活性远高于其他动物,因而保证了其在低光照条件下仍然可以高效率的停止钙代谢,促进鹿角的生长。这些顺应性的性状共同作用,保证了驯鹿在极端环境下的生存。

还有更多的科学问题尚未处理

上述研讨成果对我们了解反刍动物的演化、再生医学、肿瘤生物学、睡眠紊乱和骨质疏松症等医学研讨,以及培育新种类牲畜都有重要意义。但是还有很多问题尚未处理,同时很多反刍动物也面临着严重的生存危机。

全球范围内濒危反刍动物的散布,图片来源:Science

这一范畴还有哪些重要的研讨方向?王文对《学问分子》表示,“将来我们将深化研讨瘤胃来源进化的机制及其畜牧业提升的价值,鹿角再生的机制和鹿抗癌才能的机制,新遗传元件在反刍动物演化过程中的作用,牛科物种的演化以及牲畜物种的驯化机制及其在牲畜育种中的意义等。当然,其他一些详细和共同物种的生物学、演化历史以及维护,乃至整个有蹄类演化历史,也将不同水平地触及。”

评   论

谱系组学助力反刍动物演化研讨

张国捷 哥本哈根大学终身教授、中科院昆明动物研讨所研讨员、此项研讨的共同通讯作者

主流的遗传学研讨主要集中在果蝇、小鼠等少量形式物种上展开,这些形式生物对我们了解分子、细胞生物学根本规律发挥了重要作用。但是生态系统种存在千奇百怪物种呈现出缤纷多彩的形态、生理、行为特征,对这些物种的来源与顺应性性演化过程,物种特异性表型的演化及发育遗传调控机制的研讨,是理解自然演化历史及生物多样性构成的关键。这也是达尔文在其《物种来源》一书最后一段话所述的"endless forms most beautiful"。但是依托研讨实验室形式生物无法提醒大自然美好及恢弘的演化历史,基因组测序成为开启各类物种分子层次研讨的一个窗口。

传统演化及生态学研讨主要基于海量的物种标本及表型信息采集来提醒生物表型的演化历史。近几年基因组学技术的开展极大的推进了对各类物种基因组的解读和生物多样性基因组学这一新兴的多学科穿插范畴的开展。全基因组数据提供了比表型更丰厚和精密的物种特征信息,从而极大的进步了构建物种生命之树的精确度,因而能很好的处理许多历史上悬而未决的物种演化历史问题。另外,经过比拟相关物种基因组数据能更明晰描写物种特异性特征,分离不同物种的表型信息,能够高效的挑选出影响表型性状的相关基因。从演化的视角为表型和基因型树立关联,丰厚我们对基因功用和调控过程的了解。

随着组学技术的进一步开展,对各类物种的基因组信息解读越来越容易,近年来开端兴起谱系组学(phylogenomics)的概念,亦即对某一特定物品种群的代表性物种乃至一切物种展开基因组学剖析,目的不只在于应用基因组信息提供的超高精度种间差别特征重构生命之树,同时旨在剖析物品种群内部生态、行为、形态、生理、生活史等各个方面生物多样性特征的遗传学根底。处理这些问题的手腕常常不局限于生物信息学对基因组序列的比拟剖析,常常分离其他学科的理论或者工具,比方细胞生物学、发育生物学、神经生物学、免疫生物学等,从而系统的论述物种来源、发育和顺应性演化的分子机制。因而构成了一个多学科穿插的研讨范畴。

目前,国际上已有多个大范围谱系组学项目正在组织,针对不同物品种群展开其生物多样性基因组学研讨。其中影响比拟大的有万种鸟类基因组方案(B10K)、哺乳动物基因组方案(200 Mammalian Genomes)、脊椎动物基因组方案(VGP)等。这些方案依托于各国自然历史博物馆上百年丰厚的物种标本馆藏,极大的缩短了样品搜集时间,并确保比拟完好的物品种群掩盖,如哥本哈根大学自然历史博物馆具有全球半数以上的鸟类物种和最全的反刍类哺乳动物标本。

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