溫泉蛇的起源演化與青藏高原的形成和隆起有關系

10月11日，《科學》雜志新聞欄目以“揭示西藏溫泉蛇的秘密”為題，對中國科學院成都生物研究所（簡稱中科院成都生物所）李家堂研究團隊的溫泉蛇系列研究成果進行了報道。

 Science雜志News欄目報道李家堂研究團隊的溫泉蛇系列研究成果 成都生物所供圖

文章提到，2015至2018年間，李家堂研究團隊聚焦溫泉蛇高原極端環境適應與演化機制相關研究，于2018年首次公布了西藏溫泉蛇基因組草圖，并揭示了溫泉蛇屬物種適應高原低氧及強紫外的遺傳機制，研究成果發表于《美國國家科學院院刊》。在此基礎上，研究團隊結合行為學，比較基因組學以及膜片鉗實驗等技術方法，進一步揭示了溫泉蛇溫度感知能力的進化遺傳機制。基于更新的高質量基因組，團隊還開展了西藏溫泉蛇和四川溫泉蛇的群體基因組學研究，為其保護提供重要科學支撐。

青藏高原具有氣候寒冷、氧氣含量低、紫外線強烈等特點，對高原上生活的動物來說是巨大的挑戰，同時也是研究動物對高海拔環境適應的天然實驗室。此前已有關于人類、牦牛等恒溫動物適應高原環境遺傳機制的研究，但缺乏變溫動物的相關研究。溫泉蛇是揭開變溫動物高海拔適應之謎的良好動物模型。

溫泉蛇屬Thermophis隸屬于食螺蛇科，目前包括3個物種：西藏溫泉蛇、四川溫泉蛇和香格里拉溫泉蛇，它們是中國特有珍稀保護物種，為國家一級保護動物，也是世界上分布海拔最高的蛇類類群之一，均生活于青藏高原海拔3500–4400米的地區。溫泉蛇的起源和演化與青藏高原的形成和隆起有著密切的聯系。

世界上大多數蛇類生活在熱帶或亞熱帶地區，高原的寒冷環境通常不利于蛇類的繁衍生息。溫泉蛇作為世界上分布海拔最高的蛇類類群之一，并且能夠在高原隆升和冰河期的劇烈氣候變化中幸存下來，意味著其必然具有特殊的溫度適應策略。研究團隊結合野外調查和文獻調研，整理了高原地熱資源以及溫泉蛇的分布信息，發現溫泉蛇高度偏好溫泉生境。通過趨熱行為學實驗證明，相較于另外兩種低海拔蛇類，溫泉蛇能夠更快速地定位到高溫區域，且對高溫區表現出強烈的偏好，提示溫泉蛇具有高效的溫度感知能力。

通過進一步比較基因組分析發現，溫泉蛇中溫度感知和調節能力相關的基因發生了進化改變，其中TRPA1包含3個溫泉蛇特有的氨基酸替換，這些位點的突變可能會改變蛋白的空間構象，并改變跨膜通道中陽離子流通性。膜片鉗實驗表明，這三個位點的改變不會導致TRPA1溫度響應閾值的改變，但是會增強其熱敏感性和熱誘導開放程度。這有利于溫泉蛇對溫暖環境做出更快速的應答。上述結果與趨熱行為學實驗結果相符。

TRPA1也是具有唇窩/頰窩蛇類感知紅外熱源的重要分子元件之一。紅外蛇類感知紅外主要由于TRPA1的特有突變，通過改變其對溫度的敏感閾值來實現，這與溫泉蛇中改變TRPA1對熱的敏感性不同，提示蛇類可能存在兩種不同的溫度感知分子策略。其中，TRPA1蛋白中ANKs結構域位于細胞膜一側，提供與配體相互作用的基礎，可能參與蛇類紅外感應功能中溫度敏感閾值的調整；而TM1到TM6結構域位于跨膜區，是該離子通道的主體結構，溫泉蛇TM6區域位點的突變可能通過改變離子通道的構象，實現相同溫度刺激下開放程度的增加。相關研究成果于近期發表于《創新》。

溫泉蛇的起源和演化與青藏高原的形成和隆起有著密切的聯系。研究團隊還開展了西藏溫泉蛇群體基因組學研究，探究該物種的群體遺傳結構、種群歷史動態以及對群體分化產生作用的地理、氣候以及微環境等趨動因素。

基于全基因組SNPs分析表明，西藏溫泉蛇在遺傳上被分為三個類群，按地理分布被定義為西部、中部和東部類群，其中西部類群與另兩者遺傳差異最大；盡管存在分化，但群體間廣泛存在基因流。其中，中部分類群因其所處地理位置特殊性一定程度上承載了東、西部類群基因交流傳遞的角色；對西藏溫泉蛇的種群歷史動態研究則提示，氣候因素、地理結構以及溫泉微環境差異對促進其分化和塑造其分布格局具有重要作用。

同時，作為國家重點保護物種，研究團隊對西藏溫泉蛇遺傳多樣性等內容進行了分析。結果表明，西藏溫泉蛇具有較低的基因組雜合度（0.016%到0.034%），較高的近交系數（0.779到0.926）以及遺傳負荷；對西藏溫泉蛇的染色體結構變異分析也反映出該物種較低的多樣性水平。研究成果可為西藏溫泉蛇及其他高原物種保護策略的制定提供科學支撐。該成果于近期發表于《分子生態學》。

溫泉蛇作為世界上分布海拔最高的蛇類類群之一，高度依賴青藏高原的溫泉生境，為探究蛇類極端環境適應提供了理想的模型。李家堂研究團隊以溫泉蛇為動物模型，長期致力于高原變溫動物的適應性演化機制研究。未來期望整合多學科技術手段與多維度數據，繼續深入探尋這類神奇的動物在青藏高原上生存與演化的“秘密”。