鸭嘴兽和针鼹为何通过分泌乳汁来哺育幼崽，但却是靠产卵来繁殖后代？人类和鸭嘴兽有着共同祖先，为何独立演化出了不同的性染色体系统？记者近日获悉，深圳华大生命科学研究院联合中外多国科学家，绘制出鸭嘴兽和针鼹的高质量基因组，并据此与人、有袋类动物、鸟类和爬行类等多种动物基因组进行比较追溯，最终跨越1.8亿年，首次成功构建了现生哺乳动物共同祖先的基因组图谱。

　　相关成果已于北京时间1月7日发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature）杂志。研究人员此次构建出的哺乳动物祖先序列对于理解包括人在内的哺乳类如何发生辐射性的适应演化提供了重要的参考信息。

　　文/广州日报全媒体记者鲍文娟

　　为哺乳类动物适应演化提供重要信息

　　“鸭嘴兽和针鼹等单孔类哺乳动物是非常古老的类群，它们与其他所有现生哺乳动物在演化上是姐妹群的关系，并于约1.8亿年前与其他哺乳动物分化开来。它们的基因组数据可以帮助我们了解1.8亿年前哺乳动物的共同祖先，以及这1.8亿年间不同哺乳动物类群在演化过程中各自发生了什么变化。”论文的通讯作者之一、澳大利亚的弗朗克·格鲁兹纳教授如是说。

　　鸭嘴兽，有鸭子一样的扁嘴、鼹鼠一样的眼睛、水獭一样的身体和河狸一样的尾巴，与同样生活在澳大利亚的针鼹一起，组成了哺乳动物原兽亚纲的单孔目。作为最早与其他哺乳动物分歧的物种，单孔目处在哺乳动物的演化过程中一个非常重要的位置，是我们了解哺乳动物演化历史的关键分支。这些独特的生物学特性和演化地位一直吸引着科学家对它们的性状特征、起源进行研究。

　　对于现生哺乳动物的共同祖先，科学家们已经能通过化石证据还原它们的一部分外观特征，但其染色体数目尚不清楚。而该成果是以研究团队获得的鸭嘴兽、针鼹等哺乳动物的高质量基因组数据为基础，比较人、有袋类动物、鸟和爬行动物等多种动物的基因组数据，最终追根溯源，绘制了现生哺乳动物早期祖先的演化图谱——最早可追溯至1.8亿年前的哺乳动物祖先物种类群。

　　“我们这次构建出的哺乳动物祖先序列对于理解包括人在内的哺乳类如何发生辐射性的适应演化提供了重要的参考信息。”论文第一作者、丹麦哥本哈根大学和深圳华大生命科学研究院联合培养的周旸博士表示。

　　鸭嘴兽性染色体与鸟类更为接近

　　该研究还揭示了哺乳动物性染色体演化的出人意料的复杂模式。人和其他绝大多数哺乳动物通过X和Y两条染色体决定性别。XY染色体决定了雄性，XX则对应雌性。单孔目动物的染色体结构也异乎寻常：包括人类在内的其他哺乳动物只有一对性染色体，就是我们通常所说的，雌性XX，雄性XY；单孔目动物却有5对10条性染色体。

　　而该研究显示，单孔类的性染色体很可能经过了非常复杂的演化。周旸表示，“现代人有46条染色体，而我们和鸭嘴兽的共同祖先很可能有60条染色体，这些染色体经过了很多次的变异才形成了今天的状态。”研究同时显示，单孔类的性染色体与包括人在内的大多数哺乳动物的性染色体没有同源关系，反而和鸟类更接近。“也就是说，我们与鸭嘴兽是在祖先分歧之后的大约数千万年内各自独立演化出了不同的性染色体系统。” 论文的另一位通讯作者、浙江大学生命科学研究院的周琦教授说。

　　基因组揭示鸭嘴兽成年后何以失去牙齿

　　该研究还揭示了鸭嘴兽和针鼹在演化过程中发生的一系列特殊事件，如与牙齿有关的部分基因丢失，这从分子机制上找到了这两种动物成年后完全失去牙齿的原因；而另一些保留的与卵形成有关的基因则提示了单孔类作为少数卵生哺乳类动物的线索。研究还发现编码哺乳动物的乳汁主要蛋白成分的基因在单孔目里已经存在，说明泌乳和乳汁的性状在所有现生哺乳动物的最近共同祖先或许就已经演化形成。

　　鸭嘴兽和针鼹等单孔类哺乳动物有很多独特之处。比如它们虽然通过分泌乳汁来哺育幼崽，但却是靠产卵来繁殖后代。而通过该研究，研究团队分析发现，单孔目动物与人、考拉等哺乳动物不同，保留了一部分与鸟类和爬行类相似的基因，这些基因参与卵的形成。例如，为卵生动物胚胎发育过程提供营养的卵黄蛋白原基因。相比于鸟类和爬行类，单孔目物种已经拥有一些参与乳汁分泌过程的基因，如合成乳汁中的主要成分酪蛋白的基因。这说明，与泌乳相关的基因是从所有现生哺乳动物的祖先开始演化形成的。

　　成年的鸭嘴兽和针鼹，像鸡一样没有牙齿，胃也基本已经退化了。研究团队发现，在鸭嘴兽和针鼹基因组当中，许多与牙齿和胃发育相关的基因已丢失。鸭嘴兽主要在水中觅食，依靠水中的电流信号寻找食物；而针鼹则主要在土壤中觅食，靠嗅觉寻找生活在地下的白蚁。正是由于取食环境和觅食方式存在差异，二者的嗅觉、味觉等感受系统的发达程度也有所差异。研究团队也找到了与之相应的遗传证据：针鼹的嗅觉受体基因明显多于鸭嘴兽和其他哺乳动物；而在鸭嘴兽基因组当中，与夜行性相关的犁鼻器受体基因数量则明显更多。这些差异可能是两个物种在适应不同生态环境的过程中逐步分化形成的结果。

　　“通过最新的测序技术结合分子标记图谱，我们可以获得质量更高的染色体级别的基因组数据，通过我们建立的算法，可以很系统地开展比较分析，帮助我们更好地理解物种演化过程中的分子机制。”该研究的通讯作者、深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所及丹麦哥本哈根大学的张国捷教授总结说，“这一研究不仅揭示了精细的染色体结构变异过程如何影响哺乳动物早期演化过程，同时也解答了许多单孔目物种这一特殊哺乳动物类群许多特殊生物学性状的产生机制。”