賽鴿翱翔天際、方向感超群的遺傳奧秘是?

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全世界許多人熱衷「賽鴿」,台灣也不例外。鴿子是被人類馴化的一種鳥類,現代賽鴿運動始於 19 世紀的歐洲,自此之後,人們精挑細選,培養適合競賽的鴿子品系。賽鴿和同類相比有兩大特色:第一,飛行更快、更持久。第二,精準的空間導航。

尋找讓賽鴿獨特的基因

一代又一代的人為育種之下,是哪些遺傳變異,帶來賽鴿優於同類的優勢呢?新發表的論文為了研究此一問題,全新定序 8 個賽鴿品系,加上之前發表過的 2 個,一共有 10 個賽鴿基因組,與 35 個非賽鴿品系相比。可是比較這麼多樣本以後,研究團隊竟然找不到明確的答案?到底是怎麼回事,讓我們來看看。[1]

儘管賽鴿來自多個不同品系,不過由建構的親緣關係樹看來,所有賽鴿遺傳上皆自成一群,與其他鴿明顯有別;而血緣最接近賽鴿的近親,是英國信鴿(English carrier)。另外根據 DNA 變異分析祖源,賽鴿間的同質性都非常高,與其他鴿差異十分明顯。這些分析顯示賽鴿有著單一起源,與其他同類之間少有遺傳交流。

賽鴿優越的飛行與導航能力,若是受遺傳適應影響,該如何尋找?賽鴿是賽鴿,其他鴿不是賽鴿,所以概念上,假如某些遺傳變異是所有賽鴿皆具備,其他鴿卻都沒有,就有可能是造成彼此差異的原因。

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賽鴿和同類相比,缺乏絕無僅有的遺傳變異

可惜奧秘沒有這麼容易解答。符合上述特徵的基因,比較結果是:一個都不存在。即使放寬標準,也僅有極少數 DNA 變異是絕大部分賽鴿都有,只有少數其他鴿具備。由此推論,賽鴿優於同類的特異功能,並非由影響力很大的單一基因造成,也不只與少數基因有關。

另外也要考慮,即使偵測到賽鴿較為特別的 DNA 變異,大部分應該也與飛行與導航的適應無關。賽鴿族群的個體數目很少,受到人擇(artificial selection)高度影響,由親緣關係看來又是自成一群,與非賽鴿的同類缺乏情慾交流。這些條件下,賽鴿與眾不同的遺傳差異很可能是隨機導致,並非本研究意圖尋找的目標。

所有統計分析方法都有機會將賽鴿基因組上,由於其他原因而留下的特定變異,誤判為符合條件的目標,也就是「偽陽性」。為了儘量避免渾水摸鴿,研究團隊結合 5 種分析方法一起分析基因組,希望加強統計的可靠程度,避免偽陽性產生。

採取更加嚴謹的策略之後,研究團隊發現 CASK 基因最符合資格。此基因全名是「calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase」,已知與骨骼肌的發育有關。強化的肌肉與飛行能力關係密切,因此 CASK 看似接近尋覓的對象(賽鴿的 CASK 基因版本並不獨特,某些非賽鴿同類也有具備);不過序列分析畢竟是紙上談飛,是否真能提升飛行能力,仍需進一步實證才能確定。

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比較基因表現差異,仍一無所獲

基因序列的差異之外,基因表現也是可能的原因。即使 DNA 序列完全不變,改變調控方式,也能讓同一個基因發揮相當不同的作用。為了大規模調查基因表現的異同,研究團隊比較賽鴿與一般鴿的轉錄組(transcriptome),也就是蒐集並定序樣本中,所有基因轉錄表現出的 mRNA 片段(RNA-seq),比較各基因表現量的高低。

同一群基因在每時每刻,不同細胞組織、生理狀態、成長階段……各種情況下的表現都不一樣。假如研究基因表現,那麼就要考慮選取分析的樣本。賽鴿高超的飛行能力與胸肌息息相關,導航則主要仰賴腦部,因此研究團隊選擇成年鴿的胸肌與腦部,分別取得它們的轉錄組,比較同一基因在賽鴿與同類間的差異。

比較 4 個賽鴿與 4 個同類樣本以後,確實有些基因的表現量,在賽鴿與非賽鴿之間有別;然而不同個體間的基因表現,本來就不會完全一致,研究團隊光靠這些資訊仍無法判斷,到底哪些改變與飛行和導航較為有關。有個可能是 DNA 序列差異,導致 mRNA 表現量的變化,可惜對照基因組與轉錄組的分析結果之後,並沒有兩者一致的改變。

儘管比較基因組-DNA 序列,以及轉錄組-mRNA 表現, 都無法參透賽鴿的玄機,不過仍無法排除賽鴿的特殊能力,受到調控改變的影響。控制基因表現不只 mRNA 轉錄一種方式,還有蛋白質表現,和多種表觀遺傳學修飾(epigenetic modification)等千變萬化的調控機制,都是未來研究的潛在方向。

現在只能肯定,若是賽鴿於飛行、導航的適應真與遺傳有關,那些相關的 DNA 變異,或許不是專屬於賽鴿品系中誕生的新突變,而是早已存在於鴿子群族當中,再被配種組合而成。

小說《冰與火之歌》的主角瓊恩.雪諾,常常被女朋友說:「你什麼都不知道(You know nothing, Jon Snow)」。對於「什麼基因讓賽鴿很會飛?」這問題,我們目前的了解大概只比瓊恩.雪諾稍微高明一些。

文   / 寒波

延伸閱讀:讓基因檢測更正確──從非洲探索失落的遺傳多樣性

參考文獻:

Gazda, M. A., Andrade, P., Afonso, S., Dilytė, J., Archer, J. P., Lopes, R. J., … & Carneiro, M. (2018). Signatures of selection on standing genetic variation underlie athletic and navigational performance in racing pigeons. Molecular Biology and Evolution.

(作者部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名的粉絲團《同名的粉絲團》,歡迎參觀、拍打、與餵食)

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