鳥類遷徙路線形成原因和長距離遷徙關鍵基因揭秘

　　鳥類的遷徙是令人著迷的自然現象之一。據估計，全球現存1萬多種鳥類中約1/5是遷徙鳥類，世界上每年有數十億只候鳥在繁殖地和越冬地之間遷徙，鳥類的遷徙路線幾乎遍布全球。然而，這些路線如何進化而成？當前如何維持？在未來氣候變化下可能有何改變？不同的遷徙策略是否有其遺傳基礎？這些問題是鳥類學和行為學關注的重要科學問題。

　　3月3日，中國科學院動物研究所研究員詹祥江實驗室在Nature在線發表了關于鳥類遷徙的研究論文Climate-driven flyway changes and memory-based long-distance migration。研究團隊通過整合多年衛星追蹤數據和種群基因組信息，建立了一套北極游隼遷徙系統，揭秘其遷徙路線的主要形成原因和長距離遷徙關鍵基因。

　　游隼（Falco peregrinus）是世界上飛行速度最快的動物之一，最高俯沖速度接近390km/h，也是地球上最成功的頂級捕食者之一，分布在除南極洲之外的全球六大洲。研究歷時六年，在北極圈自西向東的主要繁殖地（科拉半島、科爾古耶夫島、亞馬爾半島、泰梅爾半島、勒拿河、科雷馬河）為56只游隼佩戴衛星追蹤器，構建出一套北極游隼遷徙系統。衛星追蹤發現這些北極游隼主要使用5條遷徙路線，在種群和個體水平上具有非常高的遷徙連接度和重復性。同時，這些種群的遷徙距離顯著不同：西部兩群短距離遷徙（平均3600公里），東部四群長距離遷徙（平均6400公里）。

　　對其中4個地區35只游隼的種群基因組學分析顯示西部的科拉和科爾古耶夫種群，以及東部的亞馬爾和科雷馬種群分別具有最近共同祖先。基于該研究中開發的全基因組Approximate Bayesian Computation模型，估計長/短距離種群的分化時間大概在末次冰盛期前后。種群動態推斷及潛在繁殖、越冬地重建結果顯示在末次冰盛期到全新世的轉換過程中，因冰川消退而帶動的繁殖地向北退縮以及越冬地變遷可能是游隼遷徙路線形成的主要歷史原因。對于當前的遷徙路線而言，研究發現不同路線之間的環境異質性很強，環境巨變區域與遷徙路線邊界高度吻合，且路線之間的差異與選擇性遺傳分化的相關程度明顯大于中性遺傳分化，從而說明環境的差異及相關的本地適應在維持當前遷徙路線中發揮重要作用。

　　通過對長短遷徙種群基因組的對比分析，研究首次發現了一個和記憶能力相關的基因ADCY8在長距離遷徙種群中受到了正選擇，實驗證明長、短遷徙種群主要基因型存在功能差異，揭示了長時記憶可能是鳥類長距離遷徙的重要基礎。研究通過模擬預測，在未來全球變暖日益嚴重的情境下，亞歐大陸西部的北極游隼種群可能會面對兩方面的威脅，即遷徙策略的改變和主要繁殖地的退縮。

　　該研究首次全面結合遙感衛星追蹤、基因組學、神經生物學等新型研究手段，通過多學科的整合分析，從行為、進化、遺傳、生態及全球氣候變化等維度，闡明了北極鳥類遷徙路線過去形成歷史、當前維持機制及未來變化趨勢，并發現了鳥類長距離遷徙的關鍵基因，展現了學科交叉型的創新性研究在遷徙鳥類保護中的重要作用。該研究由動物所主導，中科院生物物理研究所、英國卡迪夫大學、俄羅斯科學院烏拉爾分院、德國馬普動物行為研究所等科研單位合作完成。動物所博士研究生谷中如、助理研究員潘勝凱和工程師林蓁蓁為論文的共同第一作者，詹祥江為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃、中科院動物進化與遺傳前沿交叉卓越創新中心、中科院青年創新促進會等的支持。

圖1.北極游隼衛星追蹤和遷徙系統

圖2.北極游隼遷徙路線變遷和長距離遷徙遺傳基礎