成都生物所揭示“飛蛙”滑翔的遺傳機制

　　動物復雜性狀是動物長期適應演化的結果，是動物多樣性形成的重要基礎。自然界物種采取各種各樣的進化策略以適應不同的棲息地，如高原、海洋、荒漠等。部分類群通過演化出了特殊的表型以適應樹棲生活。樹棲生活拓展了這些物種對垂直空間資源的利用，有助于它們躲避天敵，獲取豐富的食物資源等。而森林環境復雜的立體結構對動物的運動能力提出了嚴苛的要求。

　　在白堊紀末期大規模物種滅絕事件后，無尾目多個科的物種獨立演化出攀爬和滑翔的相關表型，并成功拓殖樹棲生態位，黑蹼樹蛙就是其中的代表性物種。黑蹼樹蛙隸屬于樹蛙科，常年生活在熱帶雨林樹冠層，是典型的樹棲蛙類，其最高棲息高度達57米，為目前樹棲蛙類停留高度的最高記錄。黑蹼樹蛙具有強大的滑翔能力，又被稱為“飛蛙”，為揭開兩棲動物樹棲適應之謎提供了良好的動物模型。

　　近日，中國科學院成都生物研究所李家堂研究團隊等以云南西雙版納地區的“飛蛙”——黑蹼樹蛙為研究對象，運用多維度研究手段，闡明了與攀爬和滑翔行為相關表型的遺傳機制。

　　研究團隊選擇了蹼發達的黑蹼樹蛙（滿蹼）和寶興樹蛙（微蹼）開展行為學實驗。研究分別設置1米、1.5米和2米的高臺，讓兩種樹蛙分別落下并記錄運動軌跡。結果發現，黑蹼樹蛙在下降過程中會盡力撐開四肢，依靠滿蹼維持空氣動力學平衡，使其身體與水平面夾角始終小于寶興樹蛙。而寶興樹蛙則更像是在“跳樓”。這提示了樹蛙的蹼在滑翔過程中的重要作用，是支撐滑翔行為的重要性狀。

　　兩種樹蛙蝌蚪發育時期的肢體形態學比較提示兩者之間存在不同的發育模式。研究以兩種樹蛙高質量基因組為基礎，結合蝌蚪四肢發育過程中的轉錄組數據，通過時序基因共表達網絡分析，發現黑蹼樹蛙蝌蚪肢體在發育階段特異共表達一系列與Wnt信號通路和血管重構相關的基因。這種發育時期特異表達模式可能通過參與指和指間區域生長速率的調控對蹼足的形成起到關鍵作用。

　　樹蛙中調控角蛋白和細胞骨架形成的PPL基因受到正選擇，且存在樹蛙屬內保守的氨基酸替換，這可能有助于樹蛙攀爬相關性狀——吸盤的形成。壁虎的剛毛主要由β角蛋白擴張形成，而樹蛙指/趾尖吸盤的主要結構蛋白為α角蛋白，而α角蛋白同樣是哺乳動物和人類毛發纖維最主要的成分之一。這些祖先角蛋白可能在早期四足動物需要皮膚強化的區域中表達，而隨后分化為支持兩棲動物和哺乳動物不同的適應性結構。

　　本研究通過前期大量的野外觀察，并利用整合形態學、行為學和組學等學科研究手段，系統解析了“飛蛙”滑翔的遺傳機制，為人類認識動物有趣行為提供了新視角，對動物特殊功能的仿生研究及人類并指癥等相關疾病的防治具有重要基礎科學價值。

　　相關研究成果以Genomic adaptations for arboreal locomotion in Asian flying treefrogs為題，以封面論文形式發表在《美國國家科學院院刊》上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金等的支持。