蛇類(lèi)如何起源演化為何缺失四肢？中國科學(xué)家最新研究揭開(kāi)謎團

盲蛇和紅外感應蛇類(lèi)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(lèi)爬行動(dòng)物，成語(yǔ)“畫(huà)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(lèi)如何起源的?最初有沒(méi)有四肢?如果有的話(huà)，又是如何在演化過(guò)程中丟失的?這些問(wèn)題長(cháng)期以來(lái)備受學(xué)界關(guān)注，公眾也頗為好奇。

【資料圖】

蛇類(lèi)感官系統演化。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(lái)

中國科學(xué)院成都生物研究所(中科院成都生物所)研究員李家堂團隊通過(guò)選取全球極具代表性的不同支系的蛇類(lèi)，結合大規模多組學(xué)技術(shù)與基因編輯等多學(xué)科交叉研究手段，系統闡釋了蛇類(lèi)的起源與特殊表型演化的遺傳機制。

蛇類(lèi)基因組演化特征。中科院成都生物所 供圖

研究團隊基于染色體水平蛇類(lèi)基因組數據集，最新成功構建出迄今最有力的蛇類(lèi)系統發(fā)育框架表明，蛇類(lèi)起源于約1.18億年前早白堊紀，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(lèi)型。

由中國科學(xué)家完成的這一全面揭示蛇類(lèi)起源演化謎團的重要研究成果論文，北京時(shí)間6月19日夜間在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《細胞》(Cell)在線(xiàn)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(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)，結合近200個(gè)多物種多組織轉錄組測序數據及基因編輯等功能實(shí)驗，深入探討蛇類(lèi)的起源及表型演化遺傳機制。

蛇類(lèi)四肢缺失、身體延長(cháng)、內臟器官不對稱(chēng)發(fā)育等重要遺傳機制。中科院成都生物所 供圖

該研究表明，蛇類(lèi)起源于約1.18億年前的早白堊紀，與親緣最近的蜥蜴類(lèi)(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(lèi)的祖先可能是某種蜥蜴。在演化過(guò)程中，蛇類(lèi)最先分化出的類(lèi)群為盲蛇，并在約6500萬(wàn)年前白堊紀-早第三紀分界點(diǎn)的生物大滅絕事件之后，迎來(lái)蛇類(lèi)物種的爆發(fā)。

破解四肢缺失身體延長(cháng)等演化之謎

李家堂介紹說(shuō)，目前全球已知蛇類(lèi)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，適應能力強，以高度特化的重要表型如四肢缺失、身體延長(cháng)、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)退化、紅外感應增強、左右肺不對稱(chēng)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)鍵節點(diǎn)，是脊椎動(dòng)物重要類(lèi)群和研究動(dòng)物復雜性狀形成機制的理想類(lèi)群。

蛇類(lèi)系統發(fā)育框架。中科院成都生物所 供圖

本項研究中，研究團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，蛇類(lèi)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制之一;大量編碼及非編碼調控元件的快速演化驅動(dòng)了蛇類(lèi)身體的延長(cháng)，為適應身體延長(cháng)，蛇類(lèi)的內臟器官發(fā)生了不對稱(chēng)發(fā)育，如其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達;蛇類(lèi)丟失了控制器官對稱(chēng)發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因，則是其左、右肺不對稱(chēng)發(fā)育的重要遺傳因素。

此外，這次研究還探討了紅外感應蛇類(lèi)和穴居的盲蛇類(lèi)物種特殊表型的演化遺傳機制，發(fā)現與熱響應相關(guān)的PMP22基因、與三叉神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的NFIB基因的非編碼調控元件的趨同演化，是部分蛇類(lèi)感知紅外光譜的重要遺傳驅動(dòng)力。盲蛇類(lèi)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穴居生活，并形成專(zhuān)食螞蟻及螞蟻卵的食性。

蛇類(lèi)特有性狀的演化遺傳機制。中科院成都生物所 供圖

未來(lái)將聚焦開(kāi)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)物大規模組學(xué)研究，對理解脊椎動(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。

研究團隊在野外開(kāi)展蛇類(lèi)研究工作。中科院成都生物所 供圖

最新研究結果支持了學(xué)界此前關(guān)于蛇類(lèi)是由蜥蜴演化而來(lái)的假說(shuō)，將加深人們對蛇類(lèi)的起源及其復雜性狀的形成機制的理解，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(lèi)相關(guān)疾病的防治提供重要啟示和科學(xué)支撐。

研究團隊在野外開(kāi)展蛇類(lèi)研究工作。中科院成都生物所 供圖

展望未來(lái)，李家堂透露，研究團隊后續將聚焦開(kāi)發(fā)玉米蛇為模式動(dòng)物并開(kāi)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。研究團隊還將推動(dòng)從基礎科學(xué)到應用基礎科學(xué)的發(fā)展，以更好服務(wù)國家重大戰略需求。(完)

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