鸟类基因组及演化生物学研究

鸟类羽毛相关基因

文章引用

Matthew J. Greenwold, Weier Bao, Erich D. Jarvis, Haofu Hu, Cai Li, M. Thomas P. Gilbert, Guojie Zhang, and Roger H. Sawyer, 'Dynamic Evolution of the Alpha (Α) and Beta (Β) Keratins Has Accompanied Integument Diversification and the Adaptation of Birds into Novel Lifestyles', BMC Evolutionary Biology (2014).

英文摘要

Background:
Vertebrate skin appendages are constructed of keratins produced by multigene families. Alpha (α) keratins are found in all vertebrates, while beta (β) keratins are found exclusively in reptiles and birds. We have studied the molecular evolution of these gene families in the genomes of 48 phylogenetically diverse birds and their expression in the scales and feathers of the chicken.
Results:
We found that the total number of α-keratins is lower in birds than mammals and non-avian reptiles, yet two α-keratin genes (KRT42 and KRT75) have expanded in birds. The β-keratins, however, demonstrate a dynamic evolution associated with avian lifestyle. The avian specific feather β-keratins comprise a large majority of the total number of β-keratins, but independently derived lineages of aquatic and predatory birds have smaller proportions of feather β-keratin genes and larger proportions of keratinocyte β-keratin genes. Additionally, birds of prey have a larger proportion of claw β-keratins. Analysis of α- and β-keratin expression during development of chicken scales and feathers demonstrates that while α-keratins are expressed in these tissues, the number and magnitude of expressed β-keratin genes far exceeds that of α-keratins.
Conclusions:
These results support the view that the number of α- and β-keratin genes expressed, the proportion of the β-keratin subfamily genes expressed and the diversification of the β-keratin genes have been important for the evolution of the feather and the adaptation of birds into multiple ecological niches.

文章解读

鸟类时装秀的背后

文/连晋敏

鸟类的羽毛是它们特有的服装,各式各样,应有尽有,如五彩斑斓的孔雀装,黑白相间的企鹅装,以及简约清新的鸵鸟装等等。每一款服装都有着各自的特点,适应着不同的生活环境。那么鸟类为何有着如此多样的羽毛呢?是鸟儿们与生俱来便是服装设计师,还是大自然的鬼斧神工造就的呢?最近,科学家们通过研究48种鸟的全基因组信息,揭示了鸟类羽毛演化的奥秘。

鸟类的羽毛属于表皮的一部分。脊椎动物的表皮,包括皮肤、毛发、指甲等,主要是由两类角蛋白家族构成:α角蛋白家族和β角蛋白家族。α角蛋白在几乎所有的脊椎动物中都存在,而β角蛋白则是爬行动物包括鸟类特有的。

通过研究鸟类以及其它脊椎动物的基因组发现,鸟类中α角蛋白的种数比哺乳动物和其余爬行动物中少,不过在不同鸟类之间α角蛋白的数量差异很小,而β角蛋白在不同鸟类中相差很大,说明β角蛋白的多样性与鸟类表皮的多态性密切相关。

鸟类的β角蛋白之前被分为四个亚类,分别为爪子、羽毛、鳞片、角化细胞的β角蛋白。然而,这项研究通过分析β角蛋白在家鸡羽毛发育过程中的基因表达,发现这四个亚类在羽毛发育过程中都有参与,改变了我们对β角蛋白的认识。

β角蛋白的四个亚类在不同鸟类中的相对比例存在着很大差异,这些差异影响着羽毛的组成结构与复杂性。例如在水生的鸟类中,它们相比陆生鸟类含有较少的羽毛β角蛋白,但却存在更多的角化细胞β角蛋白,这可能与它们羽毛的疏水性以及调节温度的功能都有着重要的关联,并帮助它们适应独特的水生环境。此外,肉食性的鸟类中含有更多的爪子β角蛋白,表明β角蛋白对猛禽类爪与喙的演化起着关键的作用。

这些成果表明,α角蛋白与β角蛋白的基因数量,以及β角蛋白不同亚类的组成比例,对鸟类羽毛的演化和对不同生态位的适应都有着重要的影响。打个通俗的比喻,角蛋白就如同制作鸟类服装的重要材料,不同鸟类的服装需要通过选取不同类型和不同数目的角蛋白来量身定制。

鸟类炫丽的服装展给我们带来了赏心悦目的视觉体验,而科学研究则为我们揭示了这缤纷世界背后的故事,领略了大自然的神奇。

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