云南西雙版納熱帶雨林地區(qū)的一類樹蛙，保持著目前樹棲蛙類停留高度的最高紀(jì)錄。

它們喜歡生活在樹冠層，最高棲息高度可達(dá)57米。這類樹蛙具備強(qiáng)大的滑翔能力，縱身一躍，張開的蹼足就像迎風(fēng)打開的滑翔傘，助力其“飛”越十余米遠(yuǎn)并平穩(wěn)降落，因此這種樹蛙也獲得了“飛蛙”的美名。

近日，中國科學(xué)院成都生物研究所李家堂團(tuán)隊(duì)等以這種“飛蛙”——黑蹼樹蛙為研究對(duì)象，解析了其樹棲適應(yīng)性復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)，闡明了與其滑翔行為相關(guān)的表型的調(diào)控機(jī)制。該成果對(duì)動(dòng)物特殊功能的仿生研究和人類并指癥等相關(guān)疾病的防治有重要價(jià)值。3月30日，相關(guān)成果以封面文章形式發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

“飛”越雨林 滑翔靠“蹼”

從2004年開始，李家堂就跟隨趙爾宓院士開始樹蛙相關(guān)的研究。最早是“摸家底”——開展長期的野外觀察，進(jìn)行大量的分類學(xué)相關(guān)工作。

隨著測序技術(shù)和分子生物學(xué)的發(fā)展，從2006年開始，李家堂跟隨張亞平院士開始了分子進(jìn)化的相關(guān)研究。尤其當(dāng)基因組學(xué)測序技術(shù)在野生動(dòng)物研究領(lǐng)域推廣后，他就琢磨著是否能以此解析樹蛙特殊性狀背后的分子調(diào)控機(jī)制。

喜歡住“高層”、會(huì)“飛”、產(chǎn)卵方式“奇特”……生活在西雙版納熱帶雨林、擁有多種典型特性的黑蹼樹蛙是最佳的研究對(duì)象。團(tuán)隊(duì)猜測，滑翔這一行為與黑蹼樹蛙的蹼足有關(guān)。

根據(jù)蹼占指/趾間區(qū)域的比例，可將蛙的蹼劃分為無蹼、半蹼、全蹼和滿蹼等類型，黑蹼樹蛙的蹼則屬于滿蹼。為證實(shí)蹼與滑翔的關(guān)系，團(tuán)隊(duì)找來了蹼較弱的寶興樹蛙，對(duì)兩者進(jìn)行滑翔行為實(shí)驗(yàn)。

研究人員分別設(shè)置了1米、1.5米和2米的跳臺(tái)，讓兩類樹蛙從跳臺(tái)落下并記錄運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，黑蹼樹蛙“降落”時(shí)會(huì)盡力撐開四肢和蹼足，軌跡形成一定弧度，且四肢與水平面的夾角明顯更小。實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，蹼在樹蛙滑翔這一行為中起到了關(guān)鍵作用。

動(dòng)物滑翔這一性狀是動(dòng)物長期適應(yīng)進(jìn)化的結(jié)果，是動(dòng)物多樣性形成的重要基礎(chǔ)之一。李家堂說，寶興樹蛙生活在四川寶興海拔2000多米的灌木叢或草甸中，自然就不需要空中滑翔的技能。

Wnt信號(hào)通路相關(guān)基因參與蹼的生長發(fā)育

作為一種復(fù)雜性狀，蹼足的形成并非由單一基因所控制，而是由多基因之間復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制所形成。為解析這一調(diào)控機(jī)制，團(tuán)隊(duì)又提取了黑蹼樹蛙和寶興樹蛙蹼足各個(gè)生長期的RNA，進(jìn)行對(duì)比研究。

李家堂研究團(tuán)隊(duì)成員、論文第一作者吳威告訴《中國科學(xué)報(bào)》，在蝌蚪登陸前后，其肢體整體長度仍不足1厘米，但該時(shí)期趾間蹼基本長滿。“我們參考了早期文獻(xiàn)中對(duì)蛙類不同生長時(shí)期的判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樹蛙生長過程進(jìn)行了分期。肢體發(fā)育的早期是基于手掌形態(tài)判斷的，而后期則基于整個(gè)肢體的形態(tài)劃定。剛剛變成小蛙的時(shí)期，被劃定為第42期。”

當(dāng)蝌蚪后肢的腳掌開始形成槳狀(第31期生長狀態(tài))時(shí)，團(tuán)隊(duì)就開始進(jìn)行取樣，直至蹼足差不多成熟時(shí)(第46期生長狀態(tài))為止。由于組織極小，需借助16倍以上體視顯微鏡來觀察取樣。經(jīng)過多次摸索，團(tuán)隊(duì)決定通過混樣的方式以保障提取的量更大一些。

此次研究首次獲取了“飛蛙”高質(zhì)量基因組序列，結(jié)合兩種樹蛙四肢發(fā)育過程的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，并通過比較基因組學(xué)和時(shí)序基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)Wnt信號(hào)通路相關(guān)基因參與了蹼的生長和發(fā)育，對(duì)樹蛙滑翔相關(guān)性狀的形成起到了關(guān)鍵作用。

為人類疾病防治提供基礎(chǔ)科學(xué)價(jià)值

多年前，有其他研究學(xué)者就蠑螈蹼足的形成機(jī)制，提出過兩棲動(dòng)物蹼足性狀受指和指間區(qū)域相對(duì)生長速率調(diào)控的影響。吳威表示，此次研究再次證實(shí)了這一結(jié)論。

“我們對(duì)比兩種樹蛙蝌蚪蹼足發(fā)育過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)指的生長遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于指間區(qū)域時(shí)，就會(huì)形成弱蹼或者無蹼，當(dāng)指和指間區(qū)域具有相似生長速率時(shí)，就會(huì)形成全蹼或者滿蹼。”吳威表示，這種對(duì)指和指間區(qū)域相對(duì)生長速率的調(diào)控是一種基礎(chǔ)的塑造五指形態(tài)的機(jī)制。

“其實(shí)人類的手指和腳趾在生長初期也是有‘蹼’的，只不過發(fā)育中指間區(qū)域細(xì)胞凋亡，蹼退化后形成了根數(shù)分明的手指或腳趾。”李家堂表示，抑制指間細(xì)胞凋亡相關(guān)信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致并指、指骨畸形等疾病，但這種指間凋亡機(jī)制僅在羊膜動(dòng)物中參與五指形成，在兩棲動(dòng)物中較少見。“那我們能不能從兩棲動(dòng)物形成自由指的關(guān)鍵機(jī)制中找到一些信號(hào)，為諸如并指癥等人類疾病的防治提供啟示呢?這是未來要繼續(xù)研究的。”

值得一提的是，黑蹼樹蛙的卵也非常特別。

“不同于常見的青蛙卵，黑蹼樹蛙的卵就像肥皂泡，卵粒在里面均勻分布。”團(tuán)隊(duì)測定發(fā)現(xiàn)，“肥皂泡”里含有凝集素，且有保水抗菌的成分。

審稿人認(rèn)為，研究團(tuán)隊(duì)開展了詳實(shí)且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯?，采用多學(xué)科方法，在行為學(xué)、肢體發(fā)育、形態(tài)比較、基因組學(xué)等方面開展了大量的工作，尤其是形態(tài)學(xué)和行為學(xué)比較實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)很巧妙，研究所產(chǎn)生的高質(zhì)量數(shù)據(jù)將是重要的資源。此外，該工作解析了樹蛙樹棲適應(yīng)背后的分子機(jī)制，對(duì)樹蛙科物種垂直生態(tài)位適應(yīng)提出了重要見解。(見習(xí)記者 楊晨)

關(guān)鍵詞： 樹棲蛙類停留高度 最高棲息高度 樹蛙滑翔能力 云南西雙版納熱帶雨林