青藏高原極端環(huán)境（低氧、強紫外線、溫差大）為研究生物適應(yīng)性提供了天然的試驗場。盡管已有研究表明動物基因表達模式的演化在高原適應(yīng)中具有重要作用，但遺傳與環(huán)境因素如何共同調(diào)控這一過程仍缺乏系統(tǒng)性解析。為此，本研究聚焦青藏高原10種兩棲動物（圖1），通過整合轉(zhuǎn)錄表達數(shù)據(jù)與環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)探討了基因表達可塑性在極端環(huán)境適應(yīng)中的動態(tài)響應(yīng)模式，旨在揭示物種特異性適應(yīng)策略的形成機制及其功能基礎(chǔ)。

研究結(jié)果表明，不同物種間的基因表達模式存在顯著差異，這些差異主要受環(huán)境因子的驅(qū)動，包括溫度、氧氣濃度、紫外線輻射強度以及降水量。此外，我們發(fā)現(xiàn)基因表達的差異性與遺傳距離之間并無顯著相關(guān)性，這表明基因表達演化更多地由物種特異性和環(huán)境選擇壓力所決定。例如，中華蟾蜍（Bufo gargarizans）對多種環(huán)境因子表現(xiàn)出強烈的基因表達反應(yīng)，顯示出其在不同環(huán)境下具有較強的適應(yīng)能力；而西藏齒突蟾（Scutiger boulengeri）的基因表達模式相對穩(wěn)定（圖2）。這提示不同物種演化出"靈活響應(yīng)"與"穩(wěn)態(tài)維持"的適應(yīng)策略分化。進一步分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因子的調(diào)控權(quán)重存在物種異質(zhì)性：如降水量和氧濃度對中華蟾蜍基因表達變異的貢獻率最高，而在高山倭蛙中溫度和氧濃度成為主要調(diào)控因素，這種差異可能反映了物種對不同環(huán)境壓力源的演化優(yōu)先級選擇。值得注意的是，盡管物種間基因表達模式差異顯著，但能量代謝、抗氧化應(yīng)激、細胞自噬等核心生理功能模塊呈現(xiàn)趨同進化特征，表明環(huán)境壓力通過不同調(diào)控路徑推動功能趨同（圖3）。

這些發(fā)現(xiàn)從多維度揭示了基因表達可塑性在高原適應(yīng)中的核心作用：環(huán)境選擇通過塑造基因表達多樣性驅(qū)動動物適應(yīng)策略的形成，功能趨同保障了關(guān)鍵生理過程的優(yōu)化，而物種特異性適應(yīng)策略則體現(xiàn)了演化歷史的路徑依賴。該研究不僅為理解極端環(huán)境適應(yīng)提供了"基因表達-生理功能-生態(tài)策略"的整合框架，更對高原生態(tài)系統(tǒng)保護具有實踐價值——例如針對高可塑性物種設(shè)計動態(tài)保護方案，或基于功能趨同特征篩選適應(yīng)性標記基因。未來研究需結(jié)合表觀遺傳修飾與蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)，深入解析環(huán)境信號傳導(dǎo)的多層級調(diào)控機制，為預(yù)測氣候變化下的生物適應(yīng)性演化提供理論支撐。

本研究以“Adaptive Divergence and Functional Convergence: The Evolution of Pulmonary Gene Expression in Amphibians of the Qingzang Plateau”為題，發(fā)表在國際分子生態(tài)學研究的經(jīng)典期刊Molecular Ecology（一區(qū)top）。中國科學院成都生物研究所常利明博士為該論文第一作者，朱未副研究員、王斌副研究員和江建平研究員為通訊作者。該研究得到第二次青藏高原綜合科學考察研究計劃（STEP,2019QZKK05010503，2019QZKK05010203），中國科學院西部之光計劃（021XBZG_XBQNXZ_A_006），四川省自然科學基金青年項目（2024NSFSC1182）以及國家自然基金青年項目（No. 32300350）的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/mec.17663

圖1 青藏高原科學考察兩棲動物樣本信息。(A) 采樣點位置。(B) 119個樣本的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。基于119個兩棲動物樣本線粒體基因序列拼接構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹，使用IQ-TREE軟件并進行1000次bootstrap重復(fù)分析，不同物種以不同顏色的分支表示。(C) 10種兩棲動物的采樣點海拔范圍。綠色和紅色點分別表示采樣點的最低和最高海拔。(D) 兩棲動物樣本的物種分布。餅圖展示了來自不同兩棲動物物種的樣本數(shù)量，不同顏色代表各個物種。(E) 兩棲動物樣本的采樣點分布。餅圖展示了從不同采樣點采集的兩棲動物樣本數(shù)量，不同顏色代表各采樣點。

圖2 基因表達變異、遺傳多樣性與環(huán)境因子之間的關(guān)聯(lián)（針對三種高原優(yōu)勢物種）。(A) 三種高原優(yōu)勢物種的環(huán)境因子變化情況。(B-D) Mantel分析分別展示中華蟾蜍（B）、高山倭蛙（C）和西藏齒突蟾（D）的基因表達、遺傳多樣性與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。線條的粗細表示相關(guān)系數(shù)（r）的大小，線條顏色反映顯著性水平（p值），而方塊顏色代表皮爾遜相關(guān)系數(shù)（r）。

圖3高山倭蛙和西藏齒突蟾基因表達的差異與功能趨同。(A–B) 高山倭蛙和西藏齒突蟾在采樣點dg (A)和llz (B)的差異表達基因的表達模式。(C) 高山倭蛙和西藏齒突蟾差異表達基因的功能富集分析。圓形和三角形分別表示采樣點 dg 和 llz；紅色和藍色填充分別表示在高山倭蛙和西藏齒突蟾中上調(diào)表達的基因。(D–E) 高山倭蛙和西藏齒突蟾的差異表達基因與功能富集項在采樣點 dg (D) 和 llz (E) 的相關(guān)性。紅色和藍色圓圈分別表示高山倭蛙和西藏齒突蟾的上調(diào)基因；綠色圓圈表示富集功能項；紅色和藍色文字分別表示高山倭蛙和西藏齒突蟾在采樣點 dg 和 llz 表達模式相似的上調(diào)基因。(F–G) 高山倭蛙和西藏齒突蟾在采樣點 dg (F) 和 llz (G) 與自噬及氧化磷酸化相關(guān)的差異表達基因及其功能富集項。紅色和藍色條形分別代表高山倭蛙和西藏齒突蟾；紅色和藍色文字表示兩物種中上調(diào)表達的基因。