第二次青藏科考揭示麻雀適應青藏高原特殊環境的新機制
物種如何快速、有效地適應變化的自然環境，是其生存和種群拓殖的必要條件。被稱為“第三極”的青藏高原代表著世界上最嚴酷的高原環境之一，然而許多生物在那里繁衍生息。以往我們對鳥類、動物和人類的研究主要集中在表型分化后期的高分化群體，高原適應過程的初始階段仍不清楚。通過對我們身邊最為常見的樹麻雀(Passer montanus)的群體基因組研究，結合轉錄組、心肌、飛行肌組織形態特征分析，發現了樹麻雀對高原環境的早期適應機制。
樹麻雀是伴人物種，和人類活動密切相關。通過對種群遺傳結構、歷史動態及全基因組性狀-基因關聯分析，發現樹麻雀在青藏高原高海拔地區農耕文明發展之后（大約3600年之前），才拓殖到青藏高原。在短短幾千年里，它們的心肌、飛行肌發生了明顯改變，而這些性狀直接與低氧、低溫環境的適應能力相關。通過對樹麻雀高、低海拔種群進行群體基因組學的比較研究，卻發現它們的遺傳分歧非常微弱，這與表型的高度分化顯著不同。
這種遺傳與表型間的不一致，致使研究者懷疑，性狀的可塑性，特別是短期應激，可能是高原樹麻雀表型改變的重要原因。第二次青藏高原綜合科學考察研究任務五生物多樣性保護與可持續利用高原動物多樣性保護和可持續利用專題研究團隊通過對低海拔樹麻雀進行了為期一個月的低氧習服試驗后，研究人員發現，在低氧習服實驗中，心肌、飛行肌的相關性狀并未呈現出短期應激變化，可見，表型的可塑性未能解釋高原適應的主要表型變化。通過對樹麻雀高、低海拔種群進行群體基因組學的比較研究發現，全基因組上一系列和高原適應性性狀相關的基因（如肌肉發育相關的基因）相對于基因組背景有著較高的遺傳分化。多個和表型性狀密切相關的基因位點同時出現頻率改變，驅動了肌肉等表型性狀的快速改變。這一類過程也常被稱為多基因適應(polygenic adaptation)。
圖1. Rho-ROCK 信號通路中的多個基因與高海拔樹麻雀的肌肉性狀改變相關
此外，研究人員還發現樹麻雀的高海拔適應處于多基因效應與生理可塑性改變的交匯狀態，有可塑性性狀變化，也有受到遺傳影響的性狀。與具有長期適應進化歷史的鳥類相比，樹麻雀性狀的改變可能更多地處于一種“亞健康狀態(suboptimal stages)”，處于多基因效應與生理可塑性改變的交匯狀態。
該項研究開創了領域內的諸多第一，研究團隊在全球范圍內第一次闡述了高原適應過程的早期階段，為物種對特殊環境的適應提出了一種新的動態機制。研究人員首次發現高原適應背景下物種的多基因適應機制，大大拓寬了物種適應新環境研究的視野和角度，為我們理解物種在極端環境下的適應和演化提供了新的范例。該研究以“Rapid phenotypic evolution with shallow genomic differentiation during the early stage of high elevation adaptation in Eurasian Tree Sparrows”為題發表于National Science Review (2020，7：113-127；https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/113/5567447)。該研究得到了中國科學院戰略性先導研究專項（XDB13020300），第二次青藏高原綜合考察研究項目 (2019QZKK0501 and 2019QZKK0304)等項目的資助。
該文章在線發表之后，得到了國內外數位專家的點評：
Yang Liu, 2020. ‘High altitude adaptation in a flutter of sparrows’ (https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/130/5614551).
Wang Wen, 2020. ‘An unusual case of early speciation associated with human activity’(https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/129/5624983).
Scott V. Edwards, 2020. ‘Genomics of adaptation and acclimation: from field to lab and back’ (https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/128/5624982).
Bettina Harr & Trevor Price, 2020. ‘Three thousand years in Tibet’ (https://academic.oup.com/nsr/article/7/1/129/5624980).