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解密蛇岛蝮独特的岛屿适应机制

吴亚勇 中国两栖爬行动物

    蛇岛蝮(Gloydius shedaoensis) 是一种剧毒的蝮蛇(图1),主要分布于我国辽东半岛南端的蛇岛上。已有调查数据显示,在面积仅0.73平方公里的蛇岛上共栖息了近20000条蛇岛蝮,其主要食物为每年春秋鸟类迁徙时期短暂停留的各种小型鸟类(图2),以及极少部分岛上生活的褐家鼠(Rattus norvegicus)。在长期的进化历程中,蛇岛蝮逐渐形成了特殊的岛屿适应行为,如长期静止行为、树栖聚集行为、近亲交配规避行为、夏眠行为、集体冬眠行为等,这些有趣的行为获得了研究学者的极大兴趣,中国科学院成都生物研究所傅金钟团队的齐银博士、吕彬博士、文冠南博士,宜宾学院郭鹏团队的吴亚勇博士以及大连老铁山-蛇岛国家级自然保护区管理局的王小平、吕传栋、闫宝、肖帅等人共同组建了“蛇岛蝮研究团队”,在保护区管理局项目及自然科学基金项目的支持下,对蛇岛蝮独特的岛屿适应开展了系统研究。

图1“守树待鸟”的蛇岛蝮(王小平摄)


图2蛇岛蝮捕食迁徙的鸟类(王小平摄)

    一、蛇岛蝮长期静止行为及其遗传适应机制

    蛇岛蝮摄食季节很短,仅仅为每年的春季(4月下旬至6月上旬)和秋季(8月下旬至10月中旬)的鸟类迁徙季节,为了节省能量,在非捕食季节,蛇岛蝮几乎处于静止状态,甚至会进入长时间的休眠状态(图3)。然而长期的静止可能会带来一系列负面影响,如血栓、肌肉萎缩、能量短缺和生物钟紊乱等,那么蛇岛蝮是如何规避这种负面影响呢?为了回答该问题,研究团队通过对蛇岛蝮及其大陆近亲中介蝮(Gloydius intermedius)进行了转录组测序和进化比较研究,发现蛇岛蝮的进化速率显著低于其中介蝮(只有其69%),这可能与其长期休眠造成的代谢抑制有关;检测到与抗血栓和维持肌肉功能相关的基因发生了自然选择的信号;同时发现生物钟基因(CRY2)在蛇岛蝮发生了快速的进化,并表现出两个仅限于蛇岛蝮的氨基酸替换,其中一个突变可能影响蛋白质功能,这与驯鹿适应极昼极夜生活的分子钟基因突变(PER2-CRY complex)一致;脂肪酸-β-氧化相关基因(ACATA1)和昼夜节律基因(KLF10)也表现出趋同/平行进化的模式。该研究从遗传角度揭示了蛇岛蝮在食物匮乏的情形下适应长期静止及休眠、抗血栓形成、昼夜节律时钟调节和肌肉萎缩缓解等方面的适应机制。相关研究成果近期以“Genetic Adaptations of anIsland Pit-Viper to a Unique Sedentary Life with Extreme Seasonal FoodAvailability”为题发表在G3: GENES, GENOMES, GENETICS上。该研究为后续的解析蛇岛蝮适应岛屿生活的研究提供了思路。研究团队正与李家堂博士团队合作,对蛇岛蝮及其大陆近亲的基因组进行解析分析,以期能够完整展示蛇岛蝮蛇适应岛屿生活的遗传机制。

图3夏眠的蛇岛蝮(王小平摄)

    二、正在关注的几个科学问题

    (一)蛇岛蝮树栖聚集行为与亲缘选择

    蛇岛蝮采取“守树待鸟”的捕食策略,因此捕食位置对于捕食成功极为重要。在捕食季节,蛇岛蝮为了捕食更多的鸟类,数条蛇会聚集在一棵树甚至一个枝头,一层一层相互叠加,形成一个相互包容的“捕鸟组合”(图4)。那么,这些个体是否亲缘关系很近的个体?这种“组合”是长期的还是短暂存在的呢?为了回答这些问题,研究团队正在采用行为学和遗传学方法进行研究。

图4“叠罗汉”的蛇岛蝮

    (二)蛇岛蝮近亲交配规避行为

    近亲交配(又称近交)是指遗传关系很近的个体之间交配繁殖的现象,这种现象是引起许多物种濒危的重要因素,这是因为近亲交配可能导致后代的生存和繁殖能力降低,从而削弱整个种群对环境变化的应对能力。蛇岛蝮孤立而狭小的分布环境和较高的种群密度将使近亲交配成为该物种无法避免的致危因素,但目前研究结果显示,蛇岛蝮种群状态稳定,暂未表现出显著的近亲交配衰退现象。那么,蛇岛蝮是否已经进化形成了相应的近亲交配规避方法?这个问题目前还十分不清楚。研究团队正在整合遗传学和无线电追踪手段对蛇岛蝮的偏性扩散行为进行研究,以期探明蛇岛蝮是否通过偏性扩散行为规避近亲交配。

图5蛇岛蝮种群取样

图6蛇岛蝮无线电追踪

    蛇岛是研究岛屿生物学的天然实验室,而蛇岛蝮是研究爬行动物岛屿适应机制的理想模式物种。蛇岛蝮还有很多未解之谜,比如种群动态、社会交流、食物动态等,希望能有更多的科研人员参与进来,共同为蛇岛蝮这种恐怖但有趣的爬行动物保护工作献策献力。

    作者介绍:吴亚勇,宜宾学院,主要研究方向为爬行动物行为及其适应性进化

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