PNAS:揭示“飞蛙”滑翔的遗传机制

复杂的动物性状是动物长期适应和进化的结果，是动物多样性形成的重要基础。自然界中的物种采用各种进化策略来适应不同的栖息地，如高原、海洋、沙漠等。一些群体进化出特殊的表型来适应树栖生活。树栖生活扩大了这些物种对垂直空间资源的利用，帮助它们避开天敌，获得丰富的食物资源。然而，森林环境复杂的三维结构对动物的运动能力提出了严格的要求。

白垩纪末大灭绝事件后，许多无尾类家族独立进化出攀缘和滑翔的相关表型，并成功殖民于树栖生态位。黑蹼树蛙就是代表物种之一。黑蹼树蛙，属于树蛙科，常年生活在热带雨林的树冠上。它是典型的树蛙，最高栖息高度为57米，是目前树蛙停留高度的最高纪录。黑蹼树蛙又称飞蛙，具有强大的滑翔能力，为揭开两栖动物树栖适应的奥秘提供了很好的动物模型。

近日，中国科学院成都生物研究所李、等课题组，以云南西双版纳的黑足林蛙为研究对象，运用多维研究方法，阐明了与攀爬和滑行行为相关的表型的遗传机制。

研究小组选取发育良好的蹼树蛙(全蹼)和宝兴树蛙(微蹼)进行行为学实验。本研究分别设置了1米、1.5米和2米的平台，让两种树蛙坠落并记录其运动轨迹。结果发现，黑蹼树蛙会尽力张开四肢，靠全蹼保持空气动力平衡，使其身体与水平面的夹角始终小于宝兴树蛙。宝兴的树蛙更像是跳楼。这表明树蛙的蹼状蹼在滑翔中起着重要作用，是支持滑翔行为的重要性状。

两种树蛙蝌蚪在发育过程中肢体形态的比较表明，它们有不同的发育模式。基于两种树蛙的优质基因组，结合蝌蚪四肢发育过程中的转录组数据，通过时序基因共表达网络分析，发现黑斑蛙蝌蚪在发育阶段特异性共表达了一系列与Wnt信号通路和重塑相关的基因。这种发育过程中的特定表达模式可能通过参与手指和指间区域生长速率的调节，在蹼足的形成中发挥关键作用。

调节树蛙角蛋白和细胞骨架形成的PPL基因是正选择的，树蛙体内存在保守的氨基酸取代，这可能有助于树蛙攀爬相关性状吸盘的形成。壁虎的刚毛主要由角蛋白膨胀而成，而树蛙的指/趾吸盘的主要结构蛋白是角蛋白，也是哺乳动物和人类毛发纤维最重要的成分之一。这些祖先角蛋白可能在早期四足动物需要皮肤强化的区域表达，然后分化成支持两栖动物和哺乳动物的不同适应性结构。

本研究通过前期大量的野外观察，系统分析了飞蛙滑翔的遗传机制，融合了形态学、行为学和组学的研究方法，为人类认识动物有趣的行为提供了新的视角，对动物特殊功能的仿生研究和人类并指等相关疾病的防治具有重要的基础科学价值。

相关研究成果作为封面论文发表在《美国国家科学院院刊》上，题目是《亚洲飞行树蛙仲裁运动的基因组适应》。该研究得到了中科院战略性先导科技项目(B类)和国家的支持。