赛鸽翱翔天际、方向感超群的遗传奥秘是?

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全世界许多人热衷“赛鸽”,台湾也不例外。鸽子是被人类驯化的一种鸟类,现代赛鸽运动始于 19 世纪的欧洲,自此之后,人们精挑细选,培养适合竞赛的鸽子品系。赛鸽和同类相比有两大特色:第一,飞行更快、更持久。第二,精准的空间导航。

寻找让赛鸽独特的基因

一代又一代的人为育种之下,是哪些遗传变异,带来赛鸽优于同类的优势呢?新发表的论文为了研究此一问题,全新定序 8 个赛鸽品系,加上之前发表过的 2 个,一共有 10 个赛鸽基因组,与 35 个非赛鸽品系相比。可是比较这么多样本以后,研究团队竟然找不到明确的答案?到底是怎么回事,让我们来看看。[1]

尽管赛鸽来自多个不同品系,不过由建构的亲缘关系树看来,所有赛鸽遗传上皆自成一群,与其他鸽明显有别;而血缘最接近赛鸽的近亲,是英国信鸽(English carrier)。另外根据 DNA 变异分析祖源,赛鸽间的同质性都非常高,与其他鸽差异十分明显。这些分析显示赛鸽有着单一起源,与其他同类之间少有遗传交流。

赛鸽优越的飞行与导航能力,若是受遗传适应影响,该如何寻找?赛鸽是赛鸽,其他鸽不是赛鸽,所以概念上,假如某些遗传变异是所有赛鸽皆具备,其他鸽却都没有,就有可能是造成彼此差异的原因。

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赛鸽和同类相比,缺乏绝无仅有的遗传变异

可惜奥秘没有这么容易解答。符合上述特征的基因,比较结果是:一个都不存在。即使放宽标准,也仅有极少数 DNA 变异是绝大部分赛鸽都有,只有少数其他鸽具备。由此推论,赛鸽优于同类的特异功能,并非由影响力很大的单一基因造成,也不只与少数基因有关。

另外也要考虑,即使侦测到赛鸽较为特别的 DNA 变异,大部分应该也与飞行与导航的适应无关。赛鸽族群的个体数目很少,受到人择(artificial selection)高度影响,由亲缘关系看来又是自成一群,与非赛鸽的同类缺乏情欲交流。这些条件下,赛鸽与众不同的遗传差异很可能是随机导致,并非本研究意图寻找的目标。

所有统计分析方法都有机会将赛鸽基因组上,由于其他原因而留下的特定变异,误判为符合条件的目标,也就是“伪阳性”。为了尽量避免浑水摸鸽,研究团队结合 5 种分析方法一起分析基因组,希望加强统计的可靠程度,避免伪阳性产生。

采取更加严谨的策略之后,研究团队发现 CASK 基因最符合资格。此基因全名是“calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase”,已知与骨骼肌的发育有关。强化的肌肉与飞行能力关系密切,因此 CASK 看似接近寻觅的对象(赛鸽的 CASK 基因版本并不独特,某些非赛鸽同类也有具备);不过序列分析毕竟是纸上谈飞,是否真能提升飞行能力,仍需进一步实证才能确定。

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比较基因表现差异,仍一无所获

基因序列的差异之外,基因表现也是可能的原因。即使 DNA 序列完全不变,改变调控方式,也能让同一个基因发挥相当不同的作用。为了大规模调查基因表现的异同,研究团队比较赛鸽与一般鸽的转录组(transcriptome),也就是蒐集并定序样本中,所有基因转录表现出的 mRNA 片段(RNA-seq),比较各基因表现量的高低。

同一群基因在每时每刻,不同细胞组织、生理状态、成长阶段……各种情况下的表现都不一样。假如研究基因表现,那么就要考虑选取分析的样本。赛鸽高超的飞行能力与胸肌息息相关,导航则主要仰赖脑部,因此研究团队选择成年鸽的胸肌与脑部,分别取得它们的转录组,比较同一基因在赛鸽与同类间的差异。

比较 4 个赛鸽与 4 个同类样本以后,确实有些基因的表现量,在赛鸽与非赛鸽之间有别;然而不同个体间的基因表现,本来就不会完全一致,研究团队光靠这些资讯仍无法判断,到底哪些改变与飞行和导航较为有关。有个可能是 DNA 序列差异,导致 mRNA 表现量的变化,可惜对照基因组与转录组的分析结果之后,并没有两者一致的改变。

尽管比较基因组-DNA 序列,以及转录组-mRNA 表现, 都无法参透赛鸽的玄机,不过仍无法排除赛鸽的特殊能力,受到调控改变的影响。控制基因表现不只 mRNA 转录一种方式,还有蛋白质表现,和多种表观遗传学修饰(epigenetic modification)等千变万化的调控机制,都是未来研究的潜在方向。

现在只能肯定,若是赛鸽于飞行、导航的适应真与遗传有关,那些相关的 DNA 变异,或许不是专属于赛鸽品系中诞生的新突变,而是早已存在于鸽子群族当中,再被配种组合而成。

小说《冰与火之歌》的主角琼恩.雪诺,常常被女朋友说:“你什么都不知道(You know nothing, Jon Snow)”。对于“什么基因让赛鸽很会飞?”这问题,我们目前的了解大概只比琼恩.雪诺稍微高明一些。

文   / 寒波

延伸阅读:让基因检测更正确──从非洲探索失落的遗传多样性

参考文献:

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》、同名的粉丝团《同名的粉丝团》,欢迎参观、拍打、与喂食)

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