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基因|鸟的迁徙：基因与气候变化

基因游隼

原文作者：Simeon Lisovski & Miriam Liedvogel
【基因|鸟的迁徙：基因与气候变化】气候变化和基因如何影响了游隼的迁徙历史？技术进步为回答这个问题提供了新方法 。 那么 ， 这些答案也能预测鸟类未来迁徙的命运吗？
迁徙是动物界的一个普遍特征 ， 其中对鸟类迁徙的研究可谓是最全面的 。 谷中如等人[1]在《自然》上发表论文 ， 深入分析了哪些因素可能决定了游隼（Falco peregrinus）迁徙路线的演化 。 游隼因破纪录的飞行速度闻名于世 ， 当它们俯冲捕食猎物时 ， 时速最高可达320公里以上 。
基因|鸟的迁徙：基因与气候变化
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人们对决定北极鸟类迁徙路径的因素所知甚少 。 在本期《自然》中 ， 谷中如和詹祥江等人研究了游隼（Falco peregrinus）从北极繁殖地到欧亚大陆不同越冬地的迁徙路线 。 研究人员将56只游隼的卫星追踪数据与35只游隼的基因组分析数据相结合 ， 并利用古气候数据重建了游隼过去的繁殖地和越冬地分布 。 他们发现 ， 游隼的迁徙模式从末次盛冰期（2.2万年前）结束以来 ， 主要受到环境变化的影响 。 研究团队还确定了一种或对游隼有益的遗传因素——迁徙距离更长的游隼携带ADCY8优势等位基因 ， 作者认为该基因可能与长期记忆的形成有关 ， 从而帮助游隼保留了部分迁徙路线 。 封面所示为一个佩戴GPS定位追踪器的游隼 。 封面图片：Andrew Dixon
鸟类季节性的隐与现十分神秘 ， 让人为之着迷又疑惑不解 。 一直到不算太久之前 ， 我们才开始对这类现象有了进一步的认识 ， 驳斥了中世纪各种充满想象的推测——比如认为鸟类冬季会在湖底冬眠 ， 待到春季再次出现[2] 。 19世纪末开始 ， 绑在小鸟腿上的金属圈揭开了它们的旅程、行踪 ， 以及个体命运的秘密 。
得益于各方面的技术进步 ， 我们现在能够使用轻量级的追踪设备[3] ， 一路跟着这些候鸟到天涯海角 ， 获得关于鸟类迁徙行为的详细证据 。 不过 ， 这些最新技术不仅能够帮助我们阐释鸟类个体的行为 ， 高通量DNA测序技术还能用来寻找大规模迁徙行为的信息与鸟类个体基因组深度分析之间的相关性 。 这类研究的目的是为了确定与迁徙行为有关的遗传因素 。
基于当前的研究进展 ， 我们对鸟类迁徙各个方面的理解已经取得了重要突破 。 不过 ， 这种复杂行为受到哪些因素的调控仍然是个很难回答的问题 。 随着全球气候和生境的持续改变 ， 候鸟以及想要保护这些迁徙动物的人类面对着前所未有的挑战 ， 因此 ， 阐明这种调控机制似乎比以往任何时间都更重要[4,5] 。
与人类社会的许多重大挑战一样 ， 研究鸟类迁徙的调控架构需要多学科的参与和融合 。 因此 ， 谷中如等人使用了一系列令人印象深刻的互补性方法来研究游隼的迁徙 。 他们研究的游隼种群每年会在北极繁殖 ， 之后再飞往南方 。 作者分析了历史上这些游隼的迁徙路线是如何形成的 ， 以及这些路线如何影响到现今种群的动态和演化 。 谷中如等人还研究了哪些基因可能是迁徙行为的主要调控因子 ， 以及所有这些因子可能会如何共同影响游隼的未来命运 。
谷中如等人利用佩戴在鸟背上的卫星追踪器（图1） ， 追踪了56只游隼好几年的时间 ， 总共确定了6个北极繁殖种群的150条完整迁徙路线 。 作者还对35只游隼的全基因组进行了测序 ， 并利用末次盛冰期（2.2万年前）以来的花粉记录 ， 重建了这些游隼各个分布地区的历史气候 。 这些估算的气候数据为了解不同迁徙路线的形成以及这些游隼种群的分化提供了非常重要的线索 。 证据显示 ， 这些北极种群曾发生萎缩——约1万至1.5万年前的冰盖消退曾让它们在苔原的繁殖地变小 。
基因|鸟的迁徙：基因与气候变化
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图1 | 一只佩戴卫星追踪器的游隼 。 谷中如等人[1]利用这个卫星追踪器绘制了在北极繁殖的游隼种群的迁徙路线 。 来源：Andrew Dixon
如今 ， 这些被追踪种群一年一度的迁徙全部发生在它们各自的气候生态位之内——同种群个体面临的气候条件相同 ， 不同种群之间则有所差异 。 这可能从一个角度解释了为什么同种群的个体似乎总是沿着同样的路线迁徙 ， 并在温带和热带地区使用相同的种群特异性越冬地 。
作者的分析显示 ， ADCY8基因可能促进了游隼的迁徙行为 。 通过比较不同游隼种群的DNA序列 ， 谷中如等人发现这个特别的基因在不同种群之间的差异很大 ， 极有可能受到了某种选择 。 这种基因在功能上或与长期记忆的形成有关 ， 而长期记忆对于需要长途跋涉的种群来说可能格外有用 。 学习可能也对迁徙成功起到了一定作用 ， 因此 ， 谷中如等人还专注于寻找有望通过记忆形成促进学习的遗传因素 。 其他研究[6]也探寻过可能与长期记忆有关的基因在鸟类迁徙行为中的作用 。
谷中如等人的研究示范了如何通过学科交叉的方法和精细的统计数据来推断种群规模的演化历史 。 他们的研究还展示了如何利用不同种群分化的时点来推断生态-演化框架中的模式 。 这方面的理解能够用来对群落动态进行较大时间跨度的建模 ， 模拟过去和未来的场景 。 谷中如等人得出了一个重要结论：由于全球变暖 ， 向欧洲迁徙的北极繁殖游隼种群未来将经历剧烈的变化 ， 这些变化会让游隼作出行为调整 ， 包括适应更短的迁徙距离 。
谷中如等人的跨学科研究提供了一个蓝本 ， 有望激励更多研究团队采用类似的整体分析方法 。 在这方面 ， 拥有多种迁徙策略的迁徙物种是值得研究的理想模式系统 。 比如北美白冠带鹀（Zonotrichia leucophrys）的一些亚种会长途迁徙 ， 而另一些亚种却从不迁徙[7] 。 欧亚黑顶林莺（Sylvia atricapilla）也存在很大的迁徙差异 ， 不同个体采取的迁徙方向和路线尤其不同[8] 。
此外 ， 若要探究与迁徙有关的记忆形成 ， 研究人员可能必须开展谷中如等人的这类研究 ， 来比较幼鸟的首次迁徙路线与它们成年后所走的路线 。 研究人员还应该研究一下成鸟会向幼鸟传授路线的物种 ， 如鹤科[9] 。 之后再将这些数据与一些滨鸟或雀形目的分析数据进行比较——这类幼鸟在第一次迁徙时或是自行决定迁徙路线 ， 或是选择与成鸟完全不同的路线[10] 。 利用这种对比和各种研究系统的互补优势 ， 研究人员可以进一步阐明迁徙行为的遗传架构 ， 并提供能证明因果关系的证据 。
可以说 ， 在单一学科内过度简化与集结跨学科力量只有一线之隔 。 谷中如等人的工作再次证明了跨学科研究的价值 ， 这种学科交叉的形式将不同领域的证据放到具体的背景下 ， 得出新的见解 ， 突破科学的边界 。 但是 ， 想要理解迁徙这类复杂的行为过程 ， 这样的工作还有很多要做 。 它还将为我们开展有效的保育工作提供必要的工具 ， 让这个令我们敬畏赞叹 ， 同时也是地球上许多生态系统不可或缺的自然现象一直保留下去 。
参考文献：
1. Gu, Z.et al. Nature591, 259–264 (2021).
2. Magnus, O.Historia de Gentibus Septentrionalibus(Giovanni Maria Viotto, 1555).
3. Bridge, E. S.et al. BioScience61, 689–698 (2011).
4. Bay, R. A.et al. Science359, 83–86 (2018).
5. Wilcove, D. S. & Wikelski, M.PLoS Biol.6, e188 (2008).
6. Delmore, K. E.et al. eLife9, e54462 (2020).
7. Ramenofsky, M., Campion, A. W., Pérez, J. H., Krause, J. S. & Németh, Z.J. Exp. Biol.220, 1330–1340 (2017).
8. Delmore, K. E.et al. Proc. R. Soc. B287, 20201339 (2020).
9. Mueller, T., O’Hara, R. B., Converse, S. J., Urbanek, R. P. & Fagan, W. F.Science341, 999–1002 (2013).
10. Gr?nroos, J., Muheim, R. & ?kesson, S.J. Exp. Biol.213, 1829–1835 (2010).
原文以A bird’s migration decoded标题发表在 2021年3月3日的《自然》的新闻与观点版块上
nature
doi: 10.1038/d41586-021-00510-4
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