基因组分析揭示鹫类食腐适应的分子机制及其低水平遗传多样性

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鹫类是脊椎动物中唯一的专性食腐动物类群,它们在生态系统中扮演着不可或缺的角色。首先,鹫类高效定位和清除动物尸体的能力,极大地促进了生态系统的物质循环,有效地遏制了其它有害食腐者及相关病原体的种群增长和扩散,如苍蝇、老鼠、狂犬病毒、炭疽病毒、鼠疫病毒、疯牛病毒、手足口病毒等。其次,鹫类还是一种重要的文化鸟,它们是青藏高原地区天葬习俗中最主要的天葬鸟。再次,鹫类为脊椎动物食腐适应的遗传学机制提供了一个很好的研究模型。然而,近年来鹫类种群数量锐减,已成为最濒危的鸟类之一,这使得鹫类的保护近年来备受关注。传统上,食腐的猛禽被统称为鹫类,但最新研究显示旧大陆鹫类和新大陆鹫类分别隶属于鹰科(Accipitridae)和美洲鹫科(Cathartidae)。为了解析鹫类食腐适应的遗传学机制并评估鹫类基因组特征是否和它们种群数量下降相关,本研究用Pacbio三代测序平台对秃鹫亚科的高山兀鹫(Gyps himalayensis)进行了测序,组装后Contig N50达到了3.97 Mb;用10X Genomics测序技术对须兀鹫亚科的胡兀鹫(Gypaetus barbatus)进行了测序,组装后Contig N50为175 Kb;利用Illumina测序平台对鹰科物种大鵟(Buteo hemilasius)进行了测序,大鵟基因组组装后Contig N50为32 Kb。其中,高山兀鹫和胡兀鹫分别代表了食腐食性的两次独立起源。结合之前发表的鸟类基因组数据,包括一个低质量的新大陆鹫(红头美洲鹫),通过深入的比较基因组学分析,发现在鹫类的食腐适应过程中,多个胃酸分泌基因(SLC26A7、ATP4B、CFTR)和免疫基因(PIGR、PTGES2、TFF1、TFF2)受到了正选择作用或者发生了加速进化。同时,本研究还发现多个和食腐适应相关的免疫基因(EPCAM、JCHAIN、STING)在三种鹫类中发生了趋同进化。在解毒方面,发现二胺氧化酶基因(DAO)在鹰科祖先枝和高山兀鹫中发生了加速进化,该基因的主要功能是代谢食源性的尸胺和腐胺。此外,基因组分析还发现鹫类遗传多样性偏低,仅有鸟类平均遗传多样性的一半。种群历史动态结果显示,两种鹫类自末次冰期盛期以来有效种群大小一直处于下降趋势,时间上远早于近期有记载的鹫类种群数量下降的时间。因此,本研究揭示了鹫类在食腐适应的演化过程中发生了很多独特的遗传改变;发现了现生鹫类在遗传上极其脆弱,很容易受到人类活动的影响。
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