Science:鸟类的生命之树

来源:生物360 / 作者:koo / 2014-12-14
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Science:鸟类的生命之树

规模巨大的基因组计划阐释了恐龙灭绝后鸟类的“大爆炸”

研究人员对45个鸟类物种基因组进行测序的国际性努力产生了迄今为止最可靠的鸟类生命之树。这个新的鸟类谱系图帮助澄清了现代鸟类是如何在一个物种大灭绝事件之后快速出现的,而鸟纲是地球上品种最丰富的有四肢的脊椎动物;该物种大灭绝事件在大约6600万年前消灭了所有的恐龙。

该谱系图揭示了一些最早的鸟类是如何歧化的,回答了许多长期存在的、有关鸟类、鳄鱼类和恐龙——它们被统称为祖龙类——共同祖先的问题,并阐释了鸟类性染色体的演化、鸟类与人类的发声学习以及导致鸟类失去其牙齿的过程。

这一项目强化了恐龙灭绝后1000万年至1500万年间鸟类演化的一个“大爆炸”理论,这段时期被称为白垩系/古近系界线时期。它还提示,陆地鸟类,其中包括了鹦鹉和鸣禽以及鹰隼等,其最早的共同祖先是一种顶级掠食动物,很可能与曾经生活在南美的巨大的恐鸟有关系。

这一规模巨大的比较基因组学项目运用了数台超级电脑来处理其所有的数据,历时4年多,并有来自20个不同国家的约80个机构的数百名科学家参与。领导这项研究的有中国深圳华大基因(BGI)以及丹麦哥本哈根大学的Guojie Zhang,北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学及霍华德•休斯医学研究所的Erich Jarvis;以及来自丹麦自然历史博物馆及澳大利亚科廷大学的Thomas Gilbert。

这些研究人员完成了23项研究——其中8项研究刊登在12月12日出版的《科学》杂志上,有15项研究刊登在其它期刊上,如《基因组生物学》和《GigaScience》。

《科学》杂志资深编辑Laura Zahn解释说:“这项研究对每个主要的鸟类谱系中的至少一个基因组进行了检查,并在两篇旗舰论文中达到了顶峰。他们对鸟类生物学和演化的基因基础进行了检查,解释了现有鸟类主要类群间的富有争议的关系。”

在其中一篇旗舰论文中,Zhang与他的同事描述了他们对48个鸟类基因组所做的比较分析,其中包括他们得出的45个新的基因组序列(如乌鸦、鸭、鸽子、隼、啄木鸟,鹰,鸵鸟及其它更多鸟类)以及已有的3个基因组(鸡、火鸡和斑马雀)。他们的发现可帮助解释为什么鸟类基因组总体上比哺乳动物基因组要小约70%。他们还强调指出了得到保留达1亿年以上的鸟类基因组的特别区域——以及沿路上某些鸟类特征的趋同演化。

Jarvis说:“过去,人们一直在用1、2个——最多10或20个基因——来尝试推断[鸟类]物种间在过去1亿年左右的相互关系。我们的理论一直是:如果你采用整个基因组,那么你会获得与只有1或2个基因[所能提供]的谱系相比更为精确的物种谱系。”

而事实证明这个理论是正确的:由Jarvis等人撰写的一个报告——这是另外的一篇旗舰论文——显示,光是编码蛋白的基因不足以得到一个准确的系统发育谱系树。他们说,研究人员还必须纳入DNA的非编码序列以及基因间的区域才能提供一个更为精确的图像。

接下来,由加州大学伯克利分校的Qi Zhou和同事撰写的一篇报告凸显了鸟类性染色体的演化,并且揭示出:与人类的Y染色体不同,鸟类的W染色体仍然还有许多活跃的基因--而不同鸟类物种的性染色体目前正处于不同的演化阶段。

杜克大学和霍华德•休斯医学研究所的Andreas Pfenning和他的同事报告了某些与鸟鸣学习有关的基因表达和大脑神经回路,而同样来自杜克大学和霍华德•休斯医学研究所的Osceola Whitney及他的同事确认,鸟类基因组中有10%受到鸟鸣的调控。(后面的这个研究小组还确认了大脑中有4个区域对鸟鸣很重要,它们与人发声有关的区域有相似之处。)

另外一则由加州大学圣克鲁兹分校的 Ed Green 及其同事撰写的报告描述了3种鳄鱼样动物的基因组——即美洲短吻鳄基因组、咸水鳄基因组及印度恒河鳄基因组——它们代表了现有的与鸟类关系最近的亲缘动物。据研究人员披露,这些鳄鱼类动物基因组的演化速度异常缓慢。

Green说:“鸟类的分子进化要比鳄鱼类、龟类和其它爬行动物谱系快得多。然而这种鸟类谱系的演化似乎比爬行类要快,但却没有哺乳动物那样快。”

新泽西州蒙特克莱尔市蒙特克莱尔州立大学的Robert Meredith和同事撰写的另外一篇报告提出,使现代鸟类牙齿中的牙釉质和牙本质消失的基因突变是在大约1.16亿年前开始的;这一事件最终导致鸟类出现了无牙之喙。由伊利诺伊州香槟市伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的Siavash Mirarab和Tandy Warnow撰写的一篇报告描述了其研究团队是如何能够用一种他们称之为“统计分级”的方法来产生最为精确的系统发育树的。

伴随这一《科学》论文集的是一系列的其它的鸟类基因组研究,这些研究将由可开放获取的BioMed Central发表。。在其它的基因组报告中,企鹅基因组报告将在《GigaScience》,上推介,提出了对这些禽鸟是如何能够适应南极寒冷且恶劣环境的见解。而在《BMC基因组学》杂志中的一项研究发现,鸡可能是与鸟类祖先最接近的亲缘动物,而过去认为带羽毛的恐龙是与鸟类祖先最接近的亲缘动物。

原文检索:

Guojie Zhang, Erich D. Jarvis, M. Thomas P. Gilbert. A flock of genomes. Science 12 December 2014; DOI: 10.1126/science.346.6215.1308


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