熊猫和小熊猫属于食肉目不同的科：大熊猫属于熊科、而小熊猫属于鼬超科中的小熊猫科，二者分歧已有4000多万年。尽管其系统发育关系较远，它们却演化出相同的食竹食性，低营养、高纤维的竹子占其食物组成的90%以上；更为有趣的是，这两种熊猫的前掌还演化出一个特殊的结构——伪拇指，以帮助抓握竹子，是适应性演化和趋同演化的经典案例。科学散文作家斯蒂芬·古尔德在其1980年出版的著名科学散文集《The Panda’s Thumb》中专门讨论了大熊猫伪拇指的演化，引起大众对熊猫伪拇指的广泛关注。然而，伪拇指形成的分子机制一直难以揭示。
为揭示大熊猫和小熊猫形态性状（如伪拇指）和生理性状（如特化食物竹子中必须营养物质的利用）趋同的遗传学机制，中国科学院动物研究所魏辅文研究员领导的研究团队首次对小熊猫全基因组进行从头测序、组装和注释，并通过补充测序对大熊猫基因组进行了重新组装，组装质量比之前版本有了较大提升。基因组水平的系统发育分析显示，大熊猫属于熊科，而小熊猫属于鼬超科，结果支持之前分子水平的分类结论，且二者分歧时间可追溯到4750万年前。
在全基因组测序的基础上，他们采用比较基因组学方法从基因组水平进行了大熊猫和小熊猫趋同演化的分子机制解析。在全基因组水平，他们鉴定了70个大、小熊猫适应性趋同的基因，其中部分基因富集在纤毛组装、肢端发育、蛋白消化与吸收、视黄醇代谢等类别或通路，与大、小熊猫伪拇指发育和对竹子中必需营养物质吸收利用密切相关。参与细胞纤毛结构组装的肢端发育基因DYNC2H1和PCNT是调控熊猫伪拇指发育的重要基因；与必需氨基酸、必需脂肪酸和维生素吸收利用相关的基因也发生了适应性趋同，可增强熊猫从竹子中汲取必需营养物质以适应低营养的竹子食物。在全基因组水平的假基因化分析中，他们鉴定了10个大、小熊猫共有的假基因，其中包含感知肉味的鲜味受体基因TAS1R1。TAS1R1在大、小熊猫中均发生了假基因化，而其它食肉动物该基因正常，呈现了一个有趣的食性特化驱动的遗传趋同事件。进一步分析显示，小熊猫TAS1R1基因发生假基因化的时间应该在小熊猫食性转换为部分植食之后。该研究从代谢通路、蛋白趋同到假基因化等不同水平揭示了大熊猫和小熊猫形态与生理性状趋同的遗传学机制，为趋同演化这一演化生物学热点问题分子机制的揭示提供了新的案例。
该研究结果于2017年1月17日在线发表在PNAS杂志上。动物生态与保护遗传学研究组胡义波和吴琦副研究员、博士生马帅和马天笑为论文的共同第一作者，魏辅文研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的资助。
参考文献：Hu YB#, Wu Q#, Ma S#, Ma TX#,…, Wei FW*. (2017) Comparative genomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and red pandas. PNAS, doi: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1613870114.
Genome-wide phylogenetic tree of giant panda and red panda, and their convergent pseudothumbs
| 附件下载： | |
