基于基因组学的高海拔适应研究进展.pdf

25PRATACULTUREOINGHAI2023年6 月Jun.2023Vol.32.No.2业海第2 期第3 2.卷草文章编号:10 0 8-14 4 5(2 0 2 3)0 2-0 0 2 5-0 4基于基因组学的高海拔适应研究进展蒲旭欣，陈中叶，高萌泽，何访访，崔云斌*，邹登朗*（1.青海师范大学生命科学学院，青海西宁8 10 0 0 8；2.青海师范大学文学院，青海西宁8 10 0 0 8）摘要：关于生物适应性机制的研究一直被学者重视，生物的适应性体现为不同环境的影响下，物种为提高存活率而演化出不同的表型，如生理、形态、组织、行为等。随着分子生物学和分析技术的发展，更多复杂性状的调控被发现并研究，这对于分析基因型和表型的关联以及生物多样性的研究有重大意义。在高海拔环境下生存的生物在极端恶劣环境下经历了漫长的自然选择后，各自有不同程度的表型和通过遗传的适应。本文从基因组学的角度入手，详细对高海拔地区生物的遗传与适应机制方面进行了阐述，以期对相关领域的研究提供参考和对未来高海拔生物适应机制研究奠定基础。关键词：基因组学；高海拔；适应中图分类号：S813.1；Q 3 4 6.7文献标识码：A在遗传学和分子生物学研究中，生物体所有遗传物质信息的总和统称为基因组，其包含机体和线粒体、叶绿体的编码或未编码的DNA。对基因组学的研究需考虑特有基因及其表达产物的特征，通过分析可以得知生物如何利用基因表达信息，对于解决生物、医学等领域的特定问题有重大意义。高海拔地区拥有多种极端环境条件，例如低温、低氧、强紫外等因素 2 ，这类环境因素对当地生物有较大挑战。生物在不同生存环境下有对应的适应机制和表达，经过较长时间演化，多种高原物种形成独特的生理和行为方式并具稳定的遗传特征 3 ，例如血红蛋白增加、心率下降、心脏重量增加等。对生物适应高海拔条件的关键基因和分子机制的研究有利于理解生物多样性和加快医学、生物学的研究有重要意义。1生物对高海拔环境的生理适应高海拔地区环境特征表现为氧气浓度低、低压、辐射强、湿度低、温度低等。动物为适应特殊的高海拔环境，在持续的一段时间内会进行自适应机制代偿，例如呼吸作用加快、血红细胞增多、氧气运输增大等【4 ，这类现象会对动物体产生长期持续的影响，在有心脏相关疾病的患者身上体现的更明显。随着海拔升高，空气中氧气逐渐稀薄，动物体处在缺氧环境中，对心血管功能和神经组织都收稿日期：2 0 2 2-0 9-13修回日期：2 0 2 3-0 3-0 2基金项目：国家自然科学基金项目3 2 2 6 0 12 9；青海省自然科学基金项目2 0 2 1-ZJ-976Q；青海师范大学科研基金项目2 0 2 0 QZR016；负责人邹登朗作者简介：蒲旭欣（2 0 0 0-），女，本科，主要从事化学生态学研究。E-mail:共同第一作者：陈中叶（19 0 0-），女，讲师，主要从事生物地理学研究。E-mail:*通信作者：崔云斌（19 9 7-），男，硕士，主要从事生物地理学研究。E-mail:邹登朗（19 9 0-），男，博士，副教授，主要从事化学生态学研究。E-mail:262023年第2 期第3 2 卷青海草业会有影响。有研究表明 5，高海拔地区心血管病患者比平原心血管患者发病率高出五分之一；近年来随着生活水平的提升，高原上充血性心力衰竭患者的数量也逐渐增多，这可能由于机体心率变异性提升和脑钠肽的分泌量有所改变造成的 6 .。机体在进入高海拔地区后血压会在短期内升高，随之变化的是收缩压、舒张压均有明显升高，研究发现，若长期生活在高原地区（如超过12 个月）7，受试者血压升高是和海拔的升高有直接关系。由此类数据可推断，短期进人高原环境后，内皮依赖性全身血管舒张会发生，引起血压小范围下降，几小时后颈动脉相关感受器激活，刺激中枢神经引起血管收缩，导致血压逐步上升8。动物在进人高海拔地区后，左心室的容积减小，收缩和舒张的功能降低，且心室尖部的扭转力增加。另有学者发现 9 ，机体处于高原15d左右时，左心室的质量下降、体重下降。由此可推断，机体在高海拔低氧环境下交感神经兴奋，改变左心室肌肉收缩舒张的能力，而左心室改变的又一重要因素是低氧血症，短时间内CO增加可以保证机体正常供氧，随着时间的增长，再血管化可以与回心血量的增加持平，使CO恢复正常激素水平 9 。患有心力衰竭疾病的患者在进人高海拔地区短期内是安全的，同时可以进行轻量的体力活动，但运动过程中氧气吸入量逐渐减少；与正常人群相比，活力没有显著差别，尤其是CO分泌增大的患者，其运动量受影响程度最低10，具体机制仍需进一步探索。抗心力衰竭的药物和高海拔地区的适应有相互联系【，服用药物后的患者通气量降低，推测可能和外周感受器的敏感性受卡维地洛降低有关，同时药物可能会削弱肾脏生成促红细胞生成素的水平。在高海拔环境下，动物可能增大心源性猝死的几率，但没有研究确定高海拔与恶性心率失常有直接关联，心率失常的原因可能是高海拔导致交感神经敏感、血氧饱和低、细胞内外钾离子跨膜转移异常 2 。在高原环境下，稳定性冠心病患者和心肌梗死患者的心律失常几率没有明显增加，但高海拔可能诱发不稳定性心绞痛患者的心肌血液流动减慢，这可能由于动脉氧气浓度减少，心脏输血量发生代偿增加，冠状动脉的血氧平衡变得不稳定定 13 。在低氧环境下，机体由于应激可能导致冠状动脉挛，故需对患者提前进行环境适应，减少不良事件发生的概率。在高海拔适应过程中，植物在高强度和长时间紫外线辐射、缺氧的环境下，光合作用的饱和点上升、光补偿点降低【14 ；植物温度适应性偏低、暗呼吸速率降低，因此利于植物更高效利用光能、加快植物体内营养物质的富集集 15。韩发等 16 通过对青藏高原四种不同海拔高度的矮生嵩草进行含量测定，结果发现海拔越高，其富含蛋白质、脂肪、碳水化合物的比例较平原地区明显升高，推测高海拔地区植物具有较强的抗寒性和适应逆境胁迫的能力。2生物对高海拔环境的生化、行为和形态适应高海拔地区由于其独特的生态环境，一直是高原相关领域研究的天然实验环境，此类高原有号称“世界屋脊”的青藏高原、埃塞俄比亚高原、安第斯高原等 17 。在极端环境下生长的动物为了生存和繁衍，在遗传和表达形式上有适应的改变，随着组学解析的技术和手段不断丰富，更多的典型动物基因组和影响机制逐渐被分析 1。动物在高海拔的研究目前主要分为生理、生化、行为、形态等几方面。对比短期生活在高原上的人群，原生在高原上的人群拥有低氧通气的能力，肺血管在低氧的情况下收缩加强以及有慢性高原病敏感性等情况，为提高氧气利用度 19 ,原住居民体内的红细胞数目增多、血红蛋白浓度增大，与氧气的亲和力较平原居民更强，此适应可有效避免血液粘稠导致生成血栓诱发相关疾病 2 0 高原哺乳动物与平原同类物种相比，拥有更大的心脏、更小的肺动脉压力、对缺氧环境有更强的适应能力。对梯度海拔的高原粉鼠的种群研究发现，在4 3 0 0 m海拔以上的种群血红蛋白浓度和红细胞数目有明显增加，心脏的功能更为加强 2 1。在对拉布拉多白足鼠的研究中发现，不同海拔下其肌肉的肠肌有更大的毛细血管密度，推测是为适应低氧环境下能提高氧气利用度。生活在高原上的鸟类也有类似的适应机制和特征，比如高海拔地区的黑冠山雀和褐冠山雀体内对于氧气的亲和力明显增加 2 ，同时体重、27基于基因组海拔适应研究进展蒲旭欣等心脏重量和保持飞行的肌肉比例也有所增加。而生活在高原上的两栖类、鱼类通过降低代谢速率、强化细胞损伤后修复、形态和行为上的改变来适应低氧、高海拔的环境【2 3 。总体来看，高海拔地区的不同物种有着类似的适应表现3生物对高海拔环境的遗传适应随着漫长时间的演化，不同物种对于高海拔环境形成了不同的适应方式，并通过遗传传递到后代，早期研究主要通过血红蛋白等与适应相关的基因展开研究 2 4 ，此类蛋白对应的编码基因可能发生氨基酸突变造成蛋白质的结构发生异常表达，改变氧气运输和转化能力。不同物种中发现血红蛋白的基因在相同位点上有趋同改变，不同氨基酸的变构调节又有些许差异。高通量测序使得学者可以从更多的角度分析高海拔地区生物的基因水平和表达相关的蛋白有怎样的变化。在DNA水平上分析物种在高海拔地区的适应中发现，相关蛋白的编码序列可能不是直接导致表达改变的关键基因，且正选择基因和差异表达基因很少有类似，推测可能非编码区在此方面的表达中有重要作用25除此之外，肠道微生物在生物体对高原适应中发挥着重要作用，有学者对不同海拔耗牛的胃内微生物进行对比分析，发现不同类群之间有类似的微生物群落构成，推测微生物与宿主共同完成高海拔环境的适应，参与代谢信号通路的调控 2 6 4结论与展望在种内和种间的研究中，探索表型和基因水平上的联系仍然是一个研究热点，传统上通过某个表型受到某种选择作用而发生序列特定改变的假定可能很难在实际研究中发挥作用，应收集更多潜在数据加以分析，整合复杂因素导致的改变，以发现编码区或非编码区造成的影响。在组学分析中，通过运用多种模型或统计方式对表达性状进行分析时，应多做验证实验，尽量避免假阳性情况出现。在后续研究中，应继续广泛从生理生态、组织结构、表达方式等方面进行探索，对于主要发挥功能的基因、多基因遗传、重复序列、非编码区域进行筛选分析，这对于对应的癌症等疾病有潜在治疗意义。物种在高海拔地区的演化和适应目前是生物学、医学以及交叉领域的重点研究对象，这有助于人类对于调控此类改变的分子遗传机制有更深刻的认识，对于保护生物多样性和治疗相关疾病有重要意义。参考文献：1Erik I.Svensson and David Berger.The Role ofmutation Bias in adaptive EvolutionJ.Trends in EcologyEvolution,2019,34(05):422434.2朱琳，杨洁鸿，齐晓园，等.高海拔适应表型和基因型的研究进展 J.黑龙江畜牧兽医,2 0 16(0 5):6 5 6 9.3 Kimura m.Evolutionary rate at themolecular levelJ.Nature,1968,217(5 129):6246.4赵洋洋.青海沙蜥的消化道对高海拔适应的研究 D.兰州：兰州大学,2 0 2 2.5尹德荣，马晓峰，雷祯，等.高海拔地区心血管重症患者导管相关性血流感染的流行病学特点及影响因素的研究.西宁：青海省心脑血管病专科医院,2 0 19-0 8-2 7.6】群芳.两种基因突变帮藏民适应高海拔环境 N.科学时报,2 0 10-0 5-18(A04).7Orrh allen.The genetic theory ofadaptation:a briefhistory.J.Nature reviews.Genetics,2005,6(02):11927.8熊鹰，雷富民.鸟类对高海拔环境的适应性演化：从表型到基因组 J.中国科学：生命科学,2 0 19,4 9(0 4):3 6 1 3 7 0.9陈鑫龙.高原盼鼠高海拔洞穴适应遗传机制 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order to improve the survival rate under the influence of different environments.With the development ofmolecular biology and analytical techniques,the regulation ofmore complextraits has been discoveredand studied,which is of great significance for the analysis of the association betweengenotype and phenotype and the study of biodiversity.Organisms living at high altitudes have differentphenotypes and genetic adaptations after long periods of natural selection in extremely harsh environments.In thispaper,from the perspective of genomics,the genetic andadaptivemechanisms of organisms athighaltitude wereelaborated in detail,in order to provide reference for the research in related felds and lay a foundation for futurestudies on the adaptive mechanisms of organisms at high altitude.Key words:Genomics;Highaltitude;Adaptation