有氧呼吸和需氧代谢是陆生脊椎动物进化中的主要适应策略。由于血红蛋白(Hb)的携氧运输功能是联系机体需求和外部环境条件的直接途径，其功能适应及分子机制成为内温动物高海拔适应性进化的重要研究方向。山雀类(Parids)和长尾山雀类(Aegithalids)，本文简称山雀类(tit species)，是小型雀形目鸟类(Passeriformes)。山雀类包括高海拔定居和垂直迁移(altitudinal migration)的特有种，低海拔定居或具远距离迁徙(passage migration)习性的类群。基于此，本研究选择山雀类为研究对象，探讨鸟类对青藏高原及相邻高海拔地区的适应性进化规律，主要包括两部分研究内容:1.血红蛋白的适应性功能进化和结构机制研究，揭示海拔分布和留居类型如何影响山雀类的适应进化;2.三种山雀广布种，远东山雀、褐头山雀和煤山雀的血红蛋白基因分化的比较种群遗传研究，分析固有遗传变化和种群历史动态对海拔相关遗传结构形成的影响。两部分的具体内容如下:　　1.高海拔土著和移居类群存在长期和短期适应的不同对策，可能表现为血红蛋白的不同功能表型和结构差异。为探索高海拔山雀类适应进化的血红蛋白分子基础，本研究首先进行了组成两种异构型三个亚基(αA，αD和βA-globin)的直系基因树的系统发育重建，共涉及山雀科13种和长尾山雀科4种，共计213个样本）。本研究选择了山雀类四个主要分支的五对高、低海拔配对类群（4对物种和1对种群，共26号样品）分析血红蛋白的功能表型和结构机制。主要结果包括:　　(1)从三亚基的直系基因树比较中发现，与中性基因系统发育树明显分歧的海拔分化结构出现在αA-globin基因树。Periparus分支的姐妹种关系在HbA的两亚基（αA和βA）直系基因树中消失，高海拔煤山雀和黑冠山雀聚为单系，后者与低海拔煤山雀互为并系。除了黑冠-煤山雀与地山雀的单系分支，αD-globin基因树没有出现和海拔分化相关的非直系结构。βA亚基的基因树出现和物种树高度相似的拓扑结构。基于不同拓扑结构的基因树，分别对三个亚基的祖先蛋白序列进行贝叶斯重建，发现用于功能表型分析的类群中，Parus和Periparus属具有相同的αA亚基最近祖先。　　(2)通过对独立进化类群间的成体表达异构型HbA和HbD的表达比例、氧合属性（氧亲合力和协同氧合水平）和细胞离子敏感度的高低海拔配对比较，发现青藏高原山雀类和安第斯山脉鸟类存在趋同中的趋异规律。首先，与已知鸟类两种异构型氧合属性的规律一致，HbD氧亲合力(IHP+Cl-)在所有山雀中高于HbA亚型，HbD的协同氧合系数一般高于HbA。其次，与安第斯鸟类趋同，高低海拔山雀类群间的血红蛋白对细胞离子（IHP+Cl-）的敏感度没有显著差异，因此氧亲合力的变化可能更大程度上由蛋白本身的内源性结构机制决定。第三，安第斯蜂鸟的Hb-O2亲合力增加与海拔的正相关，只出现在山雀类的HbA亚型和最高海拔的回归分析中，而HbD亚型同时受到高低海拔的影响。最后，虽然和安第斯鸟类一致，煤山雀的种内Hb-O2亲合力也无明显变化，但是高海拔煤山雀种群两亚基的协同氧合系数（IHP+Cl-）均明显高于低海拔类群。　　(3)基于独立最近共祖的高低海拔配对类群的异构Hb表型变化，本研究发现高海拔平行替代只发生在褐冠山雀和地山雀的αA34Thr，很可能具有决定高海拔HbA氧亲合力增加的相同结构基础。经同源结构模拟证明，αA34Thr/Ile-βA124Pro替代类似于决定黑白兀鹫血红蛋白亚型间内源性亲合力变化的分子结构机制（αA34Thr/Ile-βA125Asp）。地山雀和褐冠山雀平行替代的αAAla34Thr和黄颊山雀单独替代的αAAla34Ile，可能分别通过不同程度增加内二聚体接触，以相对增强高海拔类群的氧亲合力和强化低海拔类群的组织氧释放。经定点诱变实验结果证明，相对低海拔定居的银脸长尾山雀，高海拔分布且具有垂直迁移习性的黑眉长尾山雀重组HbA亲合力显著增加，与斑头雁的点突变αA119Ala为趋同适应。　　2.结合已知的中性基因谱系地理格局，本研究首先选择远东山雀和绿背山雀姐妹种（100和55个样品），褐头山雀和沼泽山雀姐妹种（34和54个样品），分析αA-globin基因的遗传结构差异。其次，通过基因流估计和等位基因频率的海拔渐变拟合，分析固有遗传变化和种群历史动态是否以及如何影响高低海拔分化的谱系格局和等位基因固定。由于煤山雀的血红蛋白亚型没有显著功能差异，作为种群遗传比较中的对照种。主要得到以下主要结果:　　(1)相比独立进化类群间的海拔分化，同域分布近缘种间αA-globin基因的非直系结构由不完全谱系分选引起的可能性更大。为区分后者所致的旁系进化和平行进化，本研究对Parus和Poecile属的两对姐妹种进行网络结构重建，发现二者分别具有高海拔和低海拔的非直系结构。该结果和αA-globin基因的基因流模式一致，包括远东山雀深度分化支系间从高到低海拔基因流和褐头山雀异域分布种群间几乎完全受限的基因流。近缘种间由渐渗杂交造成αA-globin基因的不完全谱系分选更可能存在于Poecile分支的低海拔种群。固有遗传变异可能分别保留在高海拔Parus属的和低海拔Poecile属，引起不完全支系分选。　　(2)对于高低海拔替代的等位基因位点和分化单倍型，本研究进一步对其海拔渐变梯度进行拟合，比较远东山雀、褐头山雀和煤山雀之间的异同。结果发现三者的海拔渐变中心依次从低到高。为分析不同海拔梯度替代位点受到空间变化选择的可能性，本研究对替代位点周围的静默位点与中性非连锁基因进行种群遗传参数比较，同时对连锁位点的海拔分化、多样性程度和连锁不平衡衰减进行种间和种内比较。由于煤山雀在功能实验结果中发现高低海拔样本间没有表型差异，故在此项研究中作为其他两种的空白对照。　　综上所述，本研究通过系统发育比较和种群遗传分析，分析了血红蛋白基因的功能表型差异和分子进化规律，揭示了山雀类适应青藏高原和西南山地高海拔环境的进化模式。高海拔山雀类近缘种间的平行替代位点可能引起独立进化近缘物种的平行演化;而出现在高海拔长尾山雀的单独替代位点与具有不同生活史的远缘物种趋同演化。然而，近缘种群间的局域适应模式可能出现趋异模式，同时受到祖先固有遗传变异和种群历史动态的影响。因此，本论文提出适应性趋同进化可以由远缘物种的单独或少数独立遗传变异位点决定，并认为独立进化近缘物种间的种群遗传历史可能是决定适应分化结果差异的主要原因。