蛇类如何起源演化为何缺失四肢？中国科学家最新研究揭开谜团

网络编辑政务 2023-06-20 06:26:10 0 蛇类成都中科院

北京6月19日电 (记者孙自法)作为中国十二生肖之一，蛇是广为人知、广泛分布的一类爬行动物，成语“画蛇添足”则告诫人们蛇是无足(没有四肢)的动物。不过，蛇类如何起源的？最初有没有四肢？如果有的话，又是如何在演化过程中丢失的？这些问题长期以来备受学界关注，公众也颇为好奇。

蛇类感官系统演化。中科院成都生物所供图

约1.18亿年前由穴居蜥蜴演化而来

中国科学院成都生物研究所(中科院成都生物所)研究员李家堂团队通过选取全球极具代表性的不同支系的蛇类，结合大规模多组学技术与基因编辑等多学科交叉研究手段，系统阐释了蛇类的起源与特殊表型演化的遗传机制。

蛇类基因组演化特征。中科院成都生物所供图

研究团队基于染色体水平蛇类基因组数据集，最新成功构建出迄今最有力的蛇类系统发育框架表明，蛇类起源于约1.18亿年前早白垩纪，由穴居蜥蜴演化而来，也是四足动物四肢缺失的特化类型。

由中国科学家完成的这一全面揭示蛇类起源演化谜团的重要研究成果论文，北京时间6月19日夜间在国际著名学术期刊《细胞》(Cell)在线发表，并将于7月6日在第186卷14期以封面论文形式正式刊印。

论文通讯作者李家堂研究员指出，研究团队基于多种高通量基因组测序技术，从头组装并拼接出14个高质量参考基因组(其中12个为染色体水平)代表12个不同蛇科。同时，结合近200个多物种多组织转录组测序数据及基因编辑等功能实验，深入探讨蛇类的起源及表型演化遗传机制。

蛇类四肢缺失、身体延长、内脏器官不对称发育等重要遗传机制。中科院成都生物所供图

该研究表明，蛇类起源于约1.18亿年前的早白垩纪，与亲缘最近的蜥蜴类(帝王蛇蜥、科摩多巨蜥等)的最近共同祖先是“姐妹”关系，提示蛇类的祖先可能是某种蜥蜴。在演化过程中，蛇类最先分化出的类群为盲蛇，并在约6500万年前白垩纪-早第三纪分界点的生物大灭绝事件之后，迎来蛇类物种的爆发。

破解四肢缺失身体延长等演化之谜

李家堂介绍说，目前全球已知蛇类约有4000种，广泛分布于除南极洲外的各大洲陆地和海洋，栖息地多样，适应能力强，以高度特化的重要表型如四肢缺失、身体延长、视觉和听觉退化、红外感应增强、左右肺不对称发育等特殊表型，在进化历史上处于脊椎动物演化的关键节点，是脊椎动物重要类群和研究动物复杂性状形成机制的理想类群。

蛇类系统发育框架。中科院成都生物所供图

本项研究中，研究团队基于比较基因组与基因编辑等多学科交叉手段发现，蛇类PTCH1蛋白特异性缺失的3个氨基酸残基，可能是其四肢缺失的重要遗传机制之一；大量编码及非编码调控元件的快速演化驱动了蛇类身体的延长，为适应身体延长，蛇类的内脏器官发生了不对称发育，如其左肺大多趋近于退化，而右肺则较为发达；蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因，则是其左、右肺不对称发育的重要遗传因素。

此外，这次研究还探讨了红外感应蛇类和穴居的盲蛇类物种特殊表型的演化遗传机制，发现与热响应相关的PMP22基因、与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件的趋同演化，是部分蛇类感知红外光谱的重要遗传驱动力。盲蛇类物种则通过RPGRIP1等基因的丢失、CHIA等基因的快速演化以适应穴居生活，并形成专食蚂蚁及蚂蚁卵的食性。

蛇类特有性状的演化遗传机制。中科院成都生物所供图

未来将聚焦开发玉米蛇为模式动物

李家堂表示，本次研究率先启动了爬行动物大规模组学研究，对理解脊椎动物演化历史具有重要意义，将推动动物演化生物学等相关学科的发展。

研究团队在野外开展蛇类研究工作。中科院成都生物所供图

最新研究结果支持了学界此前关于蛇类是由蜥蜴演化而来的假说，将加深人们对蛇类的起源及其复杂性状的形成机制的理解，并进一步推动爬行乃至脊椎动物演化发育生物学研究，亦可为动物遗传育种及人类相关疾病的防治提供重要启示和科学支撑。

研究团队在野外开展蛇类研究工作。中科院成都生物所供图

展望未来，李家堂透露，研究团队后续将聚焦开发玉米蛇为模式动物并开展演化发育生物学研究。同时，围绕蛇毒等重要遗传资源的挖掘和运用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。研究团队还将推动从基础科学到应用基础科学的发展，以更好服务国家重大战略需求。(完)

【编辑:李赫】

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