黄莺对气候变化适应性的基因组分析

2018-09-01 00:11:57  科学媒介中心
本文作者:牟庆璇/编译

黄莺对气候变化适应性的基因组分析

2018-09-01 00:11:57
作者:牟庆璇/编译
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在气候环境发生变化时,动物如何生存下去?在本篇文章中,以黄莺为例,介绍气候变化与遗传变异的关系。

今年夏天,世界许多地方都经历了酷暑的煎熬,高温热浪席卷着亚洲欧洲美洲的多个国家。北冰洋沿岸的北欧多国和俄罗斯也出现了罕见高温天气,达到32℃。极地温度升高,苔原提前变绿,虫卵早熟,迁徙的鸟类会错过觅食时间,极地动物面临溺亡的结局。在气候环境发生变化时,动物如何生存下去?在本篇文章中,以黄莺为例,介绍气候变化与遗传变异的关系。

许多动物都有适应性,可以帮助它们应对特定的环境或生活方式。南极鱼类产生抗冻蛋白,防止血液在零度以下的温度时冻结。一些沙漠啮齿动物在没有饮用一滴水的情况下还能够存活下来。生活在高海拔地区的人类有特殊的适应能力应对缺氧环境。
 
这些特殊的适应性已经编码在基因组上并代代相传。同时,这些信息也给科学家提供了新的思路,通过分析动物的基因组可以帮助预测其是否能够以及如何适应环境的快速变化,如气候变化带来的影响。了解动物基因水平的气候脆弱性可以揭示哪些种群更具风险,使保护工作与风险物种和预期的气候相匹配。
 
蕾切尔·贝(Rachael Bay)是加州大学洛杉矶分校环境和可持续发展专业博士后(Postdoctoral Fellow of Environment and Sustainability, University of California, Los Angeles),她与一群研究鸟类基因组图项目(Bird Genoscape Project)有关的生物学家一起工作,关注气候变化对鸟类带来的影响。她们以黄莺为例进行研究。黄莺属于候鸟,夏季的时候会栖息在加拿大和美国境内,大概的范围是从炎热干燥的加利福尼亚中央山谷(Central Valley of California)到凉爽潮湿的太平洋西北部(Pacific Northwest)。
 
分析黄莺的基因组
 
基因组研究涉及到大量的信息分析。首先,需要采集大量的样本。幸运的是,蕾切尔·贝她们得到了很多帮助。鸟类监测站帮她们收集了黄莺血液的样本,博物馆给她们赠送了样本,其他一些科学家从过去研究的冰冻样品中提取基因组。
 
最终,蕾切尔和其他生物学家将来自美国和加拿大20多个地点的大约250只黄莺作为研究对象,她们对每只黄莺的基因组进行了测序,获得了大约350亿个脱氧核糖核苷酸(DNA)碱基对(base pair,是构成遗传基因的基本单元)数据。通过使用计算机算法,对这250个基因组进行比较,并研究不同气候区域的鸟类在基因组中存在哪些不同。
 
蕾切尔她们表示并不真正知道基因组的哪些部分(如果有的话)会具有气候适应的功能,所以她们没有选择检查任何特定的基因。她们研究了基因组中超过100000个随机区域,根据鸟类样品采集地不同的环境参数(如温度、降水和植被测量)对这些基因组中的随机区域进行了比较。
 
结果发现,在这些环境变量中,降水与遗传变异的关系最为密切。当她们对比了所有黄莺样本数据时,发现生活在多雨环境与干旱环境的基因组中的某些相同区域存在不同。换句话说,来自最干旱地区的黄莺与来自非常潮湿地区的黄莺,它们的某些相同基因的DNA序列略有不同,这表明遗传变异与环境相匹配。
 
如果鸟类适应当前的气候,但随着气候变化,未来几年会发生什么呢?
 
按照当前的发展情况,美国许多地区的气候在下个世纪会变得更加温暖和干燥。蕾切尔等人通过研究已经得到对于某些气候变化相对应的遗传变异,可以计算出黄莺种群的基因组序列在未来50年内会发生哪些改变以适应未来的生存条件。例如,基于现在生活在温暖地区的黄莺的基因组谱,可以估计将来会有多少鸟儿能够适应更温暖的气候。
 
蕾切尔和其他生物学家一起开发了一种算法,该算法将所有100000个随机区域的数据与25个不同气候变量的公开数据相结合(包括当前和预计的未来气候)。当这些信息汇总以后会得到一个分数,该分数反映了某个种群中需要改变多少DNA以适应未来的气候变化。蕾切尔等人称之为不同黄莺种群的“基因组脆弱性”。
 
种群数量已经受到气候变化的威胁
显示美国黄莺种群基因组脆弱性的地图
显示美国黄莺种群基因组脆弱性的地图(从蓝色到黄色表示基因组脆弱性从低到高)
 
像落基山脉(Rocky Mountains,位于北美洲西部)等一些地区,表现出非常高水平的基因组脆弱性,表明这些地区的黄莺需要在其基因组中进行许多变异才能适应气候变化。与此同时,来自中西部等其他地区的黄莺的基因组脆弱性较低,这意味着它们的风险较小。整个范围内基因组脆弱性的差异是基于预测的气候参数的改变——某些地区被认为在未来50年会变得更热,更干燥,而其他地区可能变得更湿润,更凉爽。
 
蕾切尔等人将基因组脆弱性与过去50年中黄莺种群的变化进行比较时,发现了一个令人吃惊的结果——在加利福尼亚部分地区和落基山脉等具有最高基因组脆弱性的地区,黄莺数量已经下降。这可能意味着气候变化已经影响了这些种群,这些影响在下个世纪可能会变得更加严重。
 
虽然蕾切尔她们发现了栖息在不同气候环境下的鸟类之间存在遗传差异,但她们表示仍然不清楚这些遗传差异的含义。也许来自干旱地区与生活在潮湿地区的黄莺适应了不同的食物来源;也许鸟类的迁徙时间适应了不同地区不同类型的植被。只有后续研究才能弄清楚黄莺如何适应不同的气候环境。
 
黄莺显然不是受气候变化影响的唯一物种。通过鸟类基因组图项目,蕾切尔和其他生物学家正在努力发现其他一些北美鸟类的基因组脆弱性。希望这个框架可以适用于其他类型的野生动物,而不仅仅是鸟类。

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