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研究发现,不同颜色的羽毛会导致乌鸦的繁殖隔离

腐肉乌鸦和戴帽乌鸦在基因上是密切相关的,但它们是根据其羽毛的颜色区分的。腐肉乌鸦的羽毛呈煤烟黑色,而戴帽乌鸦的羽毛呈现出黑色和浅灰色的混合色。尽管这两种物种的杂交可以产生可育后代,但它们在欧洲的地理分布重叠区域却非常狭窄。由于这个原因,这两种形式已经成为解释导致物种分化的过程的流行模型。LMU的进化生物学家约亨·沃尔夫和他的团队正在研究导致这两个种群在分子水平上分化的因素。遗传分析已经表明,羽毛颜色的差异在限制腐肉乌鸦和带帽乌鸦杂交频率方面发挥了重要作用。科学家们现在已经发现了一种影响这种特性的关键突变。他们的研究结果发表在网络杂志《自然通讯》上,并暗示所有鸦科动物最初都是黑色的。

欧洲乌鸦的祖先种群在更新世晚期开始分化,当时中欧冰川作用的开始迫使鸟类撤退到伊比利亚和巴尔干半岛的避难区。当最后一次冰河时期末期气候好转时,它们得以重新殖民它们原来的栖息地。然而,在它们被隔离期间,欧洲西南部和东南部的种群彼此分离,以致它们不再以相同的速率杂交,即成为生殖隔离。从进化的角度来看,这两个种群从此分道扬镳。西欧的乌鸦变成了腐肉乌鸦,东欧的乌鸦变成了带帽乌鸦。两国现在接触的区域(“混合区域”)只有20 - 50公里宽,在德国基本上沿着易北河的河道。“在这个狭窄的区域内,杂交的发生率很低。这种杂交后代的羽毛颜色是中等的。”沃尔夫解释道。“这个区域如此明确的定义意味着杂交后代受到了负选择。”

沃尔夫想要了解这种繁殖隔离的遗传基础。在之前的研究中,他和他的团队证明了这两个种群的基因差异只是在决定羽毛颜色的基因组上。此外,种群遗传学研究强烈表明,配偶选择确实基于这一特征——两种类型的人优先选择与自己相似的配偶。这些早期的研究是基于对单碱基变异的调查,即个体在基因组DNA的单个位点(碱基对)上的差异。“然而,我们从未能够直接确定这种单碱基变异对羽毛颜色的功能性影响,”该研究的第一作者马提亚斯·维斯斯坦纳说。“即使我们发现了单碱基变异和羽毛颜色之间的联系,实际上导致颜色变化的变异可能位于数千对碱基之外。”

为了解决这个问题,研究人员使用了一种技术要求很高的方法来寻找影响长链DNA的种间差异。这些“结构”变异包括序列块的缺失、插入或逆序。沃尔夫说:“直到最近,高通量测序技术还只能对长度在100 bp左右的DNA片段进行测序,这还不足以捕捉大规模的结构突变。”“多亏了新方法,我们现在可以检查包含15万个碱基对的非常长的DNA片段。”

研究小组将这项技术应用于从20多只鸟身上获得的DNA,并寻找区分食腐乌鸦和带帽乌鸦的结构变异。这些数据不仅证实了单碱基分析的结果,他们还发现了一个基因的插入突变,该基因通过与基因组其他地方的第二个基因相互作用来决定羽毛的颜色。此外,对相关物种DNA的系统发育分析显示,他们共同的祖先携带着这些基因中的第一个黑色变种。在蒙面乌鸦身上发现的变异代表了一种新的变异,最早出现在大约50万年前。沃尔夫说:“这种新的颜色变体似乎很有吸引力,因为它能够很快地确立自己的地位,因此肯定会被积极地选择。”目前还不清楚这种变异是如何做到这一点的。

有证据表明,它最早出现在现在包括伊朗和伊拉克的地区,有一些迹象表明,较轻的羽毛在炎热地区具有选择性优势,因为它能有效地反射阳光。这支持了一种观点,即突变最初可能受到自然选择的青睐。沃尔夫解释说:“一旦它在当地种群中出现了一定的频率,它就能够传播开来,因为亲代印记使雏鸟能够认出自己的父母,也会导致成熟的鸟类选择与父母长相相似的配偶。”然而,其他可能的情况,如小群体中的随机遗传漂变或自私基因(促进自身繁殖)的参与,也是可以想象的,而且还有待排除。

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