盲蛇和紅外感應(yīng)蛇類的演化。中科院成都生物所 供圖

(記者 孫自法)作為中國十二生肖之一，蛇是廣為人知、廣泛分布的一類爬行動物，成語“畫蛇添足”則告誡人們蛇是無足(沒有四肢)的動物。不過，蛇類如何起源的?最初有沒有四肢?如果有的話，又是如何在演化過程中丟失的?這些問題長期以來備受學(xué)界關(guān)注，公眾也頗為好奇。

【資料圖】

蛇類感官系統(tǒng)演化。中科院成都生物所 供圖

約1.18億年前由穴居蜥蜴演化而來

中國科學(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)隊通過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。中科院成都生物所 供圖

研究團(tuán)隊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，也是四足動物四肢缺失的特化類型。

由中國科學(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，北京時間6月19日夜間在國際著名學(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)隊基于多種高通量基因組測序技術(shù)，從頭組裝并拼接出14個高質(zhì)量參考基因組(其中12個為染色體水平)代表12個不同蛇科。同時，結(jié)合近200個多物種多組織轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)及基因編輯等功能實驗，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、內(nèi)臟器官不對稱發(fā)育等重要遺傳機(jī)制。中科院成都生物所 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。在演化過程中，蛇類最先分化出的類群為盲蛇，并在約6500萬年前白堊紀(jì)-早第三紀(jì)分界點(diǎn)的生物大滅絕事件之后，迎來蛇類物種的爆發(fā)。

破解四肢缺失身體延長等演化之謎

李家堂介紹說，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、視覺和聽覺退化、紅外感應(yīng)增強(qiáng)、左右肺不對稱發(fā)育等特殊表型，在進(jìn)化歷史上處于脊椎動物演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是脊椎動物重要類群和研究動物復(fù)雜性狀形成機(jī)制的理想類群。

蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架。中科院成都生物所 供圖

本項研究中，研究團(tuán)隊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)動了蛇類身體的延長，為適應(yīng)身體延長，蛇類的內(nèi)臟器官發(fā)生了不對稱發(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稱發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因，則是其左、右肺不對稱發(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)動力。盲蛇類物種則通過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

未來將聚焦開發(fā)玉米蛇為模式動物

李家堂表示，本次研究率先啟動了爬行動物大規(guī)模組學(xué)研究，對理解脊椎動物演化歷史具有重要意義，將推動動物演化生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

研究團(tuán)隊在野外開展蛇類研究工作。中科院成都生物所 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的假說，將加深人們對蛇類的起源及其復(fù)雜性狀的形成機(jī)制的理解，并進(jìn)一步推動爬行乃至脊椎動物演化發(fā)育生物學(xué)研究，亦可為動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，李家堂透露，研究團(tuán)隊后續(xù)將聚焦開發(fā)玉米蛇為模式動物并開展演化發(fā)育生物學(xué)研究。同時，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)隊還將推動從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，以更好服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求。(完)

標(biāo)簽：