鸟类和恐龙有何等关联?与哺乳动物不同,鸟类具有大量的小染色体,这些小且富含基因的染色体被认为存在于它们的恐龙祖先中。在一项发表在《BMC基因组学》杂志的关于基因核型结构的研究中,研究人员分析了家鸡、火鸡、北京鸭、斑马雀和虎皮鹦鹉的全基因组。结果发现,家鸡具有相对较少的染色体结构变异。
鸟类最近的亲戚是谁?发表在《科学》杂志上的一项研究,对与鸟类关系最近的亲戚——鳄鱼进行了基因组研究,结果发现,鳄鱼基因组是演化速率最慢的基因组之一。根据鸟类和鳄鱼的基因组,研究人员推断出鸟类和鳄鱼共同祖先的基因组序列。而这个“祖先”也是鸟类和那些在6600万年前就已经灭绝了的恐龙的共同祖先。
基因树和物种树的差异重要吗?研究发现,没有任何一个由单个基因构建出来的演化树与物种树完全一致。导致这种情况的部分原因,是由于一种叫做不完全谱系分选的过程造成的,即由于物种分化时间极其短,使得祖先基因的多态性在分化的物种里随机的固定下来。这种现象也为构建系统演化树带来了极大的障碍。为解决此问题,研究人员采取了一种新的计算方法,提出基于溯祖理论利用综合的基因树来推断全基因组水平的物种树。
鸟类基因组携带的病毒序列比其他物种少吗?哺乳动物基因组拥有大量过去病毒感染后插入宿主基因组中留下的DNA“化石”,被称作“内源性病毒元素”。发表在《基因组生物学》杂志上的一项研究称,鸟类的内源性病毒元素数量比哺乳动物少6—13倍。这也与鸟类基因组比较小的事实相符合,并暗示着两种可能性:要么是鸟类基因组更不容易被病毒入侵,要么是鸟类能更好地清除入侵的病毒序列。
艳丽羽毛是怎样演化出来的?精致鲜艳的羽毛在鸟类演化上具有重要意义,羽毛漂亮的雄鸟在求偶过程中会比竞争对手更具有优势。在前面提到的一篇《科学》杂志的综合性文章中,研究人员称,在鸟类46个家族中有8个家族,其与羽毛颜色相关的基因角蛋白等要比其他基因演化得更快。而一项发表在《BMC演化生物学》杂志上的研究称,水禽具有最少的β角蛋白基因,在陆地鸟类该基因则多出两倍以上,而在家养宠物和农业鸟类中该基因数量则更多,高达8倍以上。
当鸟类面临灭绝,或者从濒临灭绝中恢复过来时会发生什么?在一项发表在《基因生物学》杂志上的研究中,研究人员分析了包括亚洲朱鹮和美洲白头海雕在内的多个濒危鸟类的基因组,发现这些濒临灭绝的鸟类体内,降解环境毒素的基因有着较高突变率,同时与免疫系统相关的基因具有更少的多样性。在一个近年来才逐渐恢复多态性的朱鹮种群中,与大脑功能和新陈代谢相关的基因具有更快的演化速率。研究人员还发现,这一种群中的基因多样性比预期要多,这为后续的朱鹮种群保护带来了更多希望。
继往开来谱写重要篇章
鸟类基因组图谱项目的开展,获得了全世界各地博物馆和其他机构研究人员的支持。在过去30年中,他们所收集的冻存鸟类组织样本,为获取DNA样品提供了极大的便利。同时,鸟类基因组联盟建立了各种数据库,以便其他科学家对鸟类各种复杂性状的遗传基础进行深入的研究。
建立一套大规模基因组研究的流程是一项庞大的工作,包括收集和整理组织样本、提取DNA、分析样品质量、测序及管理大量的新数据。研究人员相信,这些工作将为其他在做脊椎动物大规模测序的研究团队提供重要借鉴。为了鼓励其他研究人员从这些“大数据”中挖掘出更多的信息,以及发现以往小规模数据很难观察到的数据特征,鸟类基因组联盟已将整个项目得到的全部数据公布在GigaScience、NCBI、ENSEMBL和CoGe这些数据库上,对外开放并允许下载。
其实,为了更好地利用这个项目产生的数据,研究团队在项目早期就已经将未发表的数据开放给同行以开展相关研究。在2014年年初,他们把课题所有基因组数据公布在GigaScience上,并通过推特进行推广,在社交媒体上引起了巨大反响和热烈讨论,短时间内使得该数据库的用户量增加了一倍。
“物种从何而来,如何演化,如何发展,是生物演化研究中最基础的问题。基因组的应用使我们得以重现历史,回答了这些最根本的科学问题。这是迄今为止对同一类群物种最大规模的基因组演化历程分析,也是利用比较基因组学揭示生物宏观演化历史的重要一步。”张国捷说。
吉尔伯特认为:“虽然不断有许多脊椎动物基因组发布,但目前还没有一项研究对某一大类的脊椎物种的生物多样性开展如此详细的专项分析。揭示生物多样性的分子基础正是组织这一联盟的初衷。只有在足够大样本量的前提下,科学家才能完整开发出包括整个脊椎动物群在内的基因组多样性。”
埃里希·D·贾维斯说:“这是历史性的一刻。随着样本量的扩大,基因组数据的增多,越来越多的关键问题可以被回答。我参与到这个项目中,是因为本人长期以来一直把鸟类作为研究人类发声和语言学习的模型。这些鸟类的起源为在大脑演化方面的研究开辟了许多全新的视角。”
鸟类最近的亲戚是谁?发表在《科学》杂志上的一项研究,对与鸟类关系最近的亲戚——鳄鱼进行了基因组研究,结果发现,鳄鱼基因组是演化速率最慢的基因组之一。根据鸟类和鳄鱼的基因组,研究人员推断出鸟类和鳄鱼共同祖先的基因组序列。而这个“祖先”也是鸟类和那些在6600万年前就已经灭绝了的恐龙的共同祖先。
基因树和物种树的差异重要吗?研究发现,没有任何一个由单个基因构建出来的演化树与物种树完全一致。导致这种情况的部分原因,是由于一种叫做不完全谱系分选的过程造成的,即由于物种分化时间极其短,使得祖先基因的多态性在分化的物种里随机的固定下来。这种现象也为构建系统演化树带来了极大的障碍。为解决此问题,研究人员采取了一种新的计算方法,提出基于溯祖理论利用综合的基因树来推断全基因组水平的物种树。
鸟类基因组携带的病毒序列比其他物种少吗?哺乳动物基因组拥有大量过去病毒感染后插入宿主基因组中留下的DNA“化石”,被称作“内源性病毒元素”。发表在《基因组生物学》杂志上的一项研究称,鸟类的内源性病毒元素数量比哺乳动物少6—13倍。这也与鸟类基因组比较小的事实相符合,并暗示着两种可能性:要么是鸟类基因组更不容易被病毒入侵,要么是鸟类能更好地清除入侵的病毒序列。
艳丽羽毛是怎样演化出来的?精致鲜艳的羽毛在鸟类演化上具有重要意义,羽毛漂亮的雄鸟在求偶过程中会比竞争对手更具有优势。在前面提到的一篇《科学》杂志的综合性文章中,研究人员称,在鸟类46个家族中有8个家族,其与羽毛颜色相关的基因角蛋白等要比其他基因演化得更快。而一项发表在《BMC演化生物学》杂志上的研究称,水禽具有最少的β角蛋白基因,在陆地鸟类该基因则多出两倍以上,而在家养宠物和农业鸟类中该基因数量则更多,高达8倍以上。
当鸟类面临灭绝,或者从濒临灭绝中恢复过来时会发生什么?在一项发表在《基因生物学》杂志上的研究中,研究人员分析了包括亚洲朱鹮和美洲白头海雕在内的多个濒危鸟类的基因组,发现这些濒临灭绝的鸟类体内,降解环境毒素的基因有着较高突变率,同时与免疫系统相关的基因具有更少的多样性。在一个近年来才逐渐恢复多态性的朱鹮种群中,与大脑功能和新陈代谢相关的基因具有更快的演化速率。研究人员还发现,这一种群中的基因多样性比预期要多,这为后续的朱鹮种群保护带来了更多希望。
继往开来谱写重要篇章
鸟类基因组图谱项目的开展,获得了全世界各地博物馆和其他机构研究人员的支持。在过去30年中,他们所收集的冻存鸟类组织样本,为获取DNA样品提供了极大的便利。同时,鸟类基因组联盟建立了各种数据库,以便其他科学家对鸟类各种复杂性状的遗传基础进行深入的研究。
建立一套大规模基因组研究的流程是一项庞大的工作,包括收集和整理组织样本、提取DNA、分析样品质量、测序及管理大量的新数据。研究人员相信,这些工作将为其他在做脊椎动物大规模测序的研究团队提供重要借鉴。为了鼓励其他研究人员从这些“大数据”中挖掘出更多的信息,以及发现以往小规模数据很难观察到的数据特征,鸟类基因组联盟已将整个项目得到的全部数据公布在GigaScience、NCBI、ENSEMBL和CoGe这些数据库上,对外开放并允许下载。
其实,为了更好地利用这个项目产生的数据,研究团队在项目早期就已经将未发表的数据开放给同行以开展相关研究。在2014年年初,他们把课题所有基因组数据公布在GigaScience上,并通过推特进行推广,在社交媒体上引起了巨大反响和热烈讨论,短时间内使得该数据库的用户量增加了一倍。
“物种从何而来,如何演化,如何发展,是生物演化研究中最基础的问题。基因组的应用使我们得以重现历史,回答了这些最根本的科学问题。这是迄今为止对同一类群物种最大规模的基因组演化历程分析,也是利用比较基因组学揭示生物宏观演化历史的重要一步。”张国捷说。
吉尔伯特认为:“虽然不断有许多脊椎动物基因组发布,但目前还没有一项研究对某一大类的脊椎物种的生物多样性开展如此详细的专项分析。揭示生物多样性的分子基础正是组织这一联盟的初衷。只有在足够大样本量的前提下,科学家才能完整开发出包括整个脊椎动物群在内的基因组多样性。”
埃里希·D·贾维斯说:“这是历史性的一刻。随着样本量的扩大,基因组数据的增多,越来越多的关键问题可以被回答。我参与到这个项目中,是因为本人长期以来一直把鸟类作为研究人类发声和语言学习的模型。这些鸟类的起源为在大脑演化方面的研究开辟了许多全新的视角。”