项目文章| 鹫类基因组揭示专性食腐的分子适应性机制及其较低的遗传多样性

上海元莘生物客户对鹫类（高山兀鹫、胡兀鹫、大鵟）基因组进行了全基因组测序分析，揭示了鹫类专性食腐的分子适应性机制及其较低的遗传多样性。在《Molecular Biology And Evolution》（影响因子：16.240）发表文章《Vulture Genomes Reveal Molecular Adaptations Underlying Obligate Scavenging and Low Levels of Genetic Diversity》。

1.研究背景

鹫类被誉为“自然界的清道夫”，其专性清除能力的进化为人类提供了必要的和不可替代的生态服务。通过有效地定位和消耗腐肉，鹫类在分解和营养循环中起着关键作用。尽管在生态和文化上具有重要意义，但鹫类的保护仍值得关注。据报道，鹫类已成为世界上最濒危的鸟类类群之一。为了揭示兀鹫专性食腐的分子适应性机制和评估基因组特征对其种群数量的影响，研究人员对高山兀鹫、胡兀鹫和大鵟的全基因进行测序，并与已发表的鹰形目鸟类基因组进行了比较基因组分析。

A. 高山兀鹫；B. 胡兀鹫；C. 大鵟

2. 研究方法

材料选择：采集高山兀鹫、胡兀鹫和大鵟三种鹫类的血液；

基因组组装：Pacbio长读长+短读长测序组装。

3. 研究结果

 基因组组装结果

 适应性和趋同进化分析

通过生物信息学分析，研究人员在大鵟、高山兀鹫和胡兀鹫中分别鉴定到70个、109个、93个PSGs (positive selection genes; 正选择基因)和321个、281个、352个REGs（rapidly evolving genes；加速进化基因。其中，PIGR、NAA20和SLC25A44基因在三个物种中都发生了适应性进化。通过对22个胃酸分泌通路基因进行适应性分析和趋同分析，找到了三个自然选择极其强烈的关键基因（ATP4B, CFTR和SLC26A7）。此外，在大鵟、胡兀鹫、红头美洲鹫中发现RMDN1、 OBSCN、EPCAM 基因有趋同进化氨基酸替代。

鹫类进化树及其胃酸基因的适应性进化特征

 胃酸分泌途径和免疫系统的适应性

研究人员在高山兀鹫中发现有2个PSGs (KCNQ10、ADCY5) 和3个REGs(ATP12A、CCKBR和ADCY5)参与了胃酸分泌途径。另外，胡兀鹫有4个位点(ADCY5、ITPR2、SLC26A7和SST)表现出正选择，5个位点(ADCY5、CALM2、ITPR2、KCNQ1和SLC4A2)表现为快速进化，大鵟表现出正选择在一个位点(CFTR)和两个位点(SST和SSTR2)快速进化，红头美洲鹫两个基因(CHRM3和ATP1B3)表现出正选择，4个位点(ATP4B、CALM3、CA2和CCKBR)显示快速进化，这些位点与胃酸的分泌密切相关。

KCNQ1和SLC26A7基因CNEs的相对速率

在对非编码保守序列（CNEs）的分析中，至少有3个CNEs定位到3种兀鹫的分泌途径的4个基因(CAMK2G, KCNQ1, MYLK, SLC26A7)。其中位于KCNQ1内含子5中的一个CNEs和位于SLC26A7内含子6和13中的两个CNEs在3种兀鹫中均具有较高的相对速率。

鹫类进化树及其胃酸基因的适应性进化特征

在PSGs和REGs中，黏液清除相关基因TFF1和TFF2是在鹰科的祖先分支上加速进化而来的。dN/dS值的分布密度显示，发现专性食腐动物有11个基因表现出正选择，且dN/dS值显著升高。对高山兀鹫、胡兀鹫、红头美洲鹫的趋同分析发现，三个重要基因（EPCAM，JCHIN、STING）发生了趋同的氨基酸替换，它们均参与肠胃粘膜防御过程。

鹫类基因组的遗传多样性较低及其种群历史动态的模拟

 兀鹫的遗传多样性

通过比对分析，大鵟、胡兀鹫、高地兀鹫全基因组杂合度分别为0.0012 、0.0011、0.0019 heterozygous sites/base pair。其中两种兀鹫的全基因组杂合度与已报道的红头美洲鹫的杂合度（0.0012）相似。因此，这三种兀鹫的基因组都显示出非常低的多样性，大约是42种鸟类中平均基因组多样性的一半。

通过PSMC分析，发现大鵟和髯兀鹫的Ne（有效群体大小）波动相似。对于大鵟，东北向显示了两个种群扩张时期，分别在7×105百万年前和3×104百万年前达到顶峰，随后在约1×105百万年前和现在达到最小。自最后一个冰川最大值以来，这两种鹫类的种群规模似乎都有所下降。

研究结论

在这项研究中，生成了高质量的大鵟和胡兀鹫鹫的基因组，代表了旧大陆兀鹫的两种谱系，以及一个姐妹分类单元-高山兀鹫。基因组分析显示，两种鹫类的遗传多样性都非常低，仅占所有鸟类基因组平均遗传多样性的一半左右，并预测自最后一个冰川最大值以来，两种鹫类的种群数量都有所下降。此外，研究发现鹫类中专性食腐的进化可能伴随着广泛的胃酸产生和免疫的基因。同时，还发现了平行分子进化的证据，涉及到这些食腐动物的不同谱系之间趋同的氨基酸替换。这一研究结果为鹫类的保护和低水平的遗传多样性背后的分子适应性提供了重要的理论依据。