動物所研究揭示現生鳥類飛行能力的退化機制

　　具備飛行能力是鳥類與眾不同的生物學特征之一，因此鳥類的飛行進化成為人們最關注的基本科學問題之一。近幾十年來，飛行進化研究主要集中于已滅絕的古代鳥類或恐龍，有關現生鳥類飛行進化的研究鮮有報道。盡管飛行賦予了鳥類極大的生存優勢，但現生鳥類中卻有百余種（如鴕鳥、雞等）的飛行能力發生退化，變得無法飛行或飛行能力降低。

　　前人研究發現，形態結構變化（如翅膀變短）和能量節約策略與現生鳥類飛行能力退化有相關性，但仍有兩個關鍵性問題亟待回答，即這種飛行能力的轉變是否具有共同的遺傳基礎，以及它是如何演變的？

　　中國科學院動物研究所詹祥江實驗室通過比較分析8種飛行退化鳥種和40種飛行鳥種的基因組序列，發現兩個在飛行退化鳥種中發生趨同進化的位點。這兩個位點分別落在兩個脂質代謝關鍵酶的核心結構域（ATGL， Adipose triglyceride lipase； ACOT7， Acyl-CoA Thioesterase 7），引起兩個非同義突變（ATGLSer321Gly和ACOT7Ala197Val）。ATGL通過水解甘油三酯促進脂肪用于能量代謝，而ACOT7通過水解脂酰輔酶A（Acyl-CoA）抑制脂肪用于能量代謝。功能實驗表明，Ser321Gly顯著降低了ATGL對甘油三酯的水解能力，而Ala197Val顯著增強了ACOT7對Acyl-CoA的水解活性，從而抑制脂肪來源的能量代謝。通過數學模型的模擬預測這兩個基因功能的協同變化將使得飛行退化鳥種的主要能量來源由脂肪轉變為碳水化合物，預測結果得到代謝組檢測結果的支持。研究發現這兩個趨同基因在飛行退化鳥類中受到正選擇，進而推測，由于碳水化合物比脂肪產生能量快，這種依賴于碳水化合物的能量產生方式更適合飛行退化鳥類的運動方式，比如短時奔跑或短時爆發性飛行。

　　此外，通過對這兩個趨同位點進行的祖先位點重建，發現生活在距今約1億年前的今鳥亞綱的祖先能夠進行非持續的飛行（Non-sustained flier），這種飛行能力一直延續至今顎總目的祖先。但是在距今約6800萬年前，新鳥下綱（Neoaves）鳥類的飛行能力大大增強，這種變化可能使它們能夠更好地利用白堊紀-古近紀大規模滅絕之后產生的新的生態位，導致其種群快速擴散，從而在現代鳥類中占主導地位。

　　該項研究回答了為什么百余種現生鳥類飛行能力發生退化的科學難題，表明了飛行能力退化是生理趨同的結果，改變了“鳥類飛行能力退化主要是形態結構變異特別是翅長變短所導致的”這一流行觀點。該項工作是中國學者在組學水平上對鳥類宏觀進化問題的一次全新思考。該項研究成果于6月21日以Convergent genomic signatures of flight loss in birds suggest a switch of main fuel 為題在線發表于《自然-通訊》（Nature Communications）上。動物所助理研究員潘勝凱、博士研究生林依、北京師范大學碩士研究生劉瓊以及北京生命科學研究所博士研究生段金志為文章共同第一作者，詹祥江為論文的通訊作者。北京師范大學教授張正旺、北京生命科學研究所研究員張昱、中科院遺傳與發育生物學研究所研究員稅光厚、動物所研究員鄒振在樣品采集、代謝組分析和細胞生物學實驗方面提供了大力支持。

　　該項研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、“中國科學院動物進化與遺傳前沿交叉卓越創新中心”等的資助。