世界首例古大熊猫DNA测定结果公布
2019-05-30
       5000年前,一只生活在云南西部高黎贡山的大熊猫,不慎跌落深洞死亡,留下被分解的骨骼。2005年,这些骨骼在腾冲县江东山天然竖井中被意外发现,这是云南发现的最晚大熊猫化石。

       基于这一化石样品,近日,中国地质大学(武汉)古DNA研究团队,与德国波兹坦大学、云南省文物考古研究所等研究人员合作,成功测定了世界首例古代大熊猫全基因组。相关成果在《当代生物学》上在线发表。

       研究结果发现,该基因组代表一个不同于现生大熊猫、已绝灭的大熊猫遗传谱系。但它的部分基因,通过种群交流,在现生大熊猫身上存活了下来。

       论文第一及通讯作者、中国地质大学(武汉)副教授盛桂莲介绍,研究结果证明,大熊猫在演化中丧失了遗传多样性,而生物遗传谱系的丧失和遗传多样性的降低,增加了大熊猫灭绝的风险。


       云南腾冲江东山全新世大熊猫骨骼遗存

       寻找样品:锁定云南“最后的大熊猫”化石

       化石记录显示,大熊猫曾经广泛分布于北起我国周口店、南至华南大部乃至越南、缅甸的东南亚广阔区域。相同环境条件下、分享相同地理区域内食物来源的大熊猫个体,组成一个种群,没有严格的边界。

       距今约11700年开始,大熊猫的生存区域突然急剧缩小,原来成片分布的大熊猫栖居地退缩成点状,种群之间逐渐形成地理隔离,基因交流被阻断。部分地区发生本土绝灭,不再能见到大熊猫踪迹,只留下大熊猫化石。

       “早在2000年前后,我们团队就开始研究大熊猫古基因。当时选择了广西的古代大熊猫化石,但因为华南地区湿度大、土壤呈酸性,且化石年代久远,导致古DNA保存状况极差,最后没有成功。”盛桂莲说。

       因为技术限制和样品难寻,这一研究停滞了六七年。随着新一代测序技术在古代生物基因组测定中逐渐成熟,2016年,中国地质大学(武汉)的研究团队开始启动古代大熊猫的全基因组研究。

       在云南腾冲发现的一块大熊猫化石,被锁定为研究样品。

       2005年,云南省文物考古研究所在腾冲县江东山天然竖井距地表40~60米深处,发现了一副大熊猫骨骼。经测定,其年代为5000~8000年前,这是在云南发现的最晚的大熊猫化石,因此被称为云南“最后的大熊猫”。

       “世界上最早的大熊猫祖先种,就出现在云南省禄丰县,距现在至少已有530万年。这一化石属于曾经生活在云南的大熊猫种群,且年代相对较近,古DNA保存较为完好,正是合适的全基因组研究样品。”盛桂莲说。

 中国地质大学(武汉)古DNA项目组赖旭龙教授(右一)、盛桂莲副教授(左一)与合作者在野外发掘现场

       基因测定:大熊猫在演化中丧失遗传多样性

       “最后的大熊猫”遗存的骨骼中积存了大量微生物外源DNA。研究团队通过优化实验条件,从仅300 mg股骨骨粉中,得到了1.2倍覆盖度的大熊猫全基因组。

       经过两年多的实验和分析,研究发现,这一在云南发现的距今5000多年的化石样品,代表一个不同于现生大熊猫、现已绝灭的大熊猫遗传谱系。而且,这一谱系与现生大熊猫共同祖先种群的分化,早于现生大熊猫三个不同地理种群的形成。

       “这证明大熊猫丧失的遗传谱系,位于进化树根部,演化历史更为古老,也就是说大熊猫在演化过程中,付出了遗传多样性降低的代价。”盛桂莲表示,生物遗传谱系的丧失和遗传多样性的降低,会降低生物对环境变化、病害等逆境条件的耐受力和抵抗力,从而增加生物绝灭的风险。

       此前,大熊猫在演化中,究竟只是发生了数量的减少,还是确实存在遗传多样性的降低,并无定论。“这样的争议也关系到,付出很大的代价去保护大熊猫,到底有多大的意义。”盛桂莲说。

       她表示,此次对古代大熊猫全基因组的测定结果,可以毫无疑问地证明,大熊猫的遗传多样性在历史时期比现在更丰富。

       在人类活动和气候等因素影响下,大熊猫被证明丧失了特定的遗传谱系,降低了遗传多样性,“如果不采取措施去保护,让遗传多样性持续降低,可能会导致这一物种最终走向灭绝。”


       2005年,云南大熊猫发掘团队与村民合影

       基因比对:灭绝大熊猫的部分基因仍存活

       通过将古代大熊猫基因组与现生大熊猫种群基因比对,研究还发现,已绝灭的古代大熊猫遗传谱系中,有少量基因通过种群杂交渗透到了现生大熊猫基因库中,部分基因得以在现生大熊猫身上存活。

       “这代表着,古代大熊猫与现生大熊猫祖先之间,曾经存在遗传信息交换和传承。”盛桂莲说。《Nature》期刊网站将这一研究结果称为“绝灭大熊猫跨越数千年的遗传馈赠”。

       “每个大熊猫个体的迁徙范围都是有限的,不同种群间存在基因交流,说明当时大熊猫的分布很广,地域间距离并不远。”盛桂莲说,这也从古基因的角度,为恢复和重建大熊猫的迁徙演化历史提供了证据。

       她表示,大熊猫在历史分布区的本土绝灭、种群的减少,代表着不同大熊猫种群之间基因交流的通道被阻断,会降低不同种群来源的基因发生重组的可能,“最终也会降低大熊猫的遗传多样性,导致大熊猫发生绝灭的风险升高。”

       渗入到现生大熊猫基因组的部分古基因,能被固定下来而没有被淘汰,因此被推测具有演化生物学意义。但其在现生大熊猫的性状上有何表征,盛桂莲说,还需要开展进一步的功能基因分析。

       “基因解析工作非常复杂,需要从庞大的数据库中将基因提取出来,看什么基因对应什么功能,才能去分析某种基因是否在现生大熊猫身上发挥作用,比如食性、分布范围等。”

       盛桂莲告诉记者,目前,更新世-全新世大熊猫种群演化历史的古基因组研究,已被申请为国家自然科学基金面上项目。“大熊猫作为明星物种,在演化生物学上也极具代表意义。我们迈出了大熊猫古DNA研究的第一步,未来,研究团队将会继续朝基因解析等方向做下去。”


       野外红外触发相机拍摄到的白色大熊猫影像
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