杜卫国与刘峰团队联合揭示贵德沙蜥体色变异的进化驱动力与分子基础

近日，中国科学院动物研究所杜卫国团队和刘峰团队联合攻关，以青藏高原分布的贵德沙蜥物种为研究系统，整合室内外生态实验、基因组测序和遗传验证等手段，揭示了贵德沙蜥体色本地适应的驱动力及生理生化和分子机制。相关成果以"Genetically encoded lizard color divergence for camouflage and thermoregulation"为题，于2024年1月19日在线发表在进化生物学知名期刊Molecular Biology and Evolution上。

团队成员通过研究发现，青海湖边温暖沙丘和寒冷草甸的贵德沙蜥在体表光谱反射方面呈现出明显差异：温暖沙丘种群的浅色贵德沙蜥具有较高的光谱反射率，而寒冷草甸种群的深色贵德沙蜥则反射率较低。通过野外被捕食概率实验、野外活动体温和室内体色体温调节实验，研究人员发现，深色和浅色蜥蜴的体色在各自的环境中都能有效充当保护色，同时有助于体温调节：深色体色有利于在寒冷环境中快速升高体温，而浅色体色则在温暖环境中有效防止体温过高。

生理生化分析显示，这种体表的反射率所反映的体温差异，是由于体表的黑色素含量差异造成的。通过深色种群和浅色种群的基因组重测序分析，研究人员在深色蜥蜴种群的黑色素生成相关基因Tyrp1的459#位点发现了一个新的GC突变，是造成体色分化的遗传基础。结果显示该位点的等位基因频率在深色蜥蜴中为22.22% G/C和77.78% C/C，在浅色蜥蜴中为100% G/G。通过模型预测TYRP1的酶三级结构和催化活性，表明该突变增加了TYRP1酶结构的灵活性和催化活性，从而促进了深色蜥蜴体表黑色素的生成（图1）。

此外，在利用斑马鱼系统进行的Tyrp1基因功能验证实验中，注射了深色蜥蜴Tyrp1基因型的斑马鱼体内检测到更多的黑色素含量和更深的体色，进一步验证了Tyrp1突变在黑色素生成中的功能。利用野生型斑马鱼为研究系统，通过注射包含浅色蜥蜴Tyrp1 (Tyrp1^1376G）和深色蜥蜴Tyrp1（Tyrp1^1376C）基因序列的质粒，发现注射后个体体色均比野生型变深，而注射深色蜥蜴Tyrp1基因的斑马鱼体色最深。有趣的是，深色蜥蜴Tyrp1质粒注射后导致的斑马鱼体色变黑，并没有通过增加黑色素细胞数量的方式，而是通过提升了黑色素细胞内黑色素含量的方式实现的（图2）。

简言之，本研究通过系统的实验研究和数据分析，发现一个来自黑色素生成关键基因的新突变构成了贵德沙蜥体表颜色变异的遗传基础，保护色和体温调节对体色的共同选择可能会加强适应性遗传分化的发生，使具有不同体色的相邻种群得以存续。

该研究是在多个团队精诚合作下完成的。杜卫国研究员和孙宝珺副研究员进行了研究设计和保护色与热调节以及基因组测序等工作，刘峰研究员和吕鹏博士实施了斑马鱼体系的功能验证。中国科学院动物研究所孙宝珺副研究员为论文第一作者，李伟明博士、吕鹏博士、文冠男博士为共同第一作者，中国科学院动物研究所的杜卫国研究员为论文通讯作者，刘峰研究员为共同通讯作者。中国科学院动物研究所的谢鸿鑫和王喜凤博士，以及博士研究生吴丹阳、陶师昂、姜中文、河北师范大学的汪洋博士、北京易科泰生态技术有限公司的于长青教授、诺禾致源的陈志强博士为该研究的共同作者。该研究获得了第二次青藏高原综合科学考察(2019QZKK0501)、中国科学院先导项目(XDB31000000)、三江源国家公园与中国科学院联合项目(LHZX-2020-01)、国家重点研发项目(2022YFF0802300)、国家自然科学基金委项目(32271572、2200341)以及中国科学院青年创新促进会的资助。