盲蛇和紅外感應蛇類的演化。中科院成都生物所 供圖
(記者 孫自法)作為中國十二生肖之一，蛇是廣為人知、廣泛分布的一類爬行動物，成語“畫蛇添足”則告誡人們蛇是無足(沒有四肢)的動物。不過，蛇類如何起源的?最初有沒有四肢?如果有的話，又是如何在演化過程中丟失的?這些問題長期以來備受學界關注，公眾也頗為好奇。
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蛇類感官系統演化。中科院成都生物所 供圖
約1.18億年前由穴居蜥蜴演化而來
中國科學院成都生物研究所(中科院成都生物所)研究員李家堂團隊通過選取全球極具代表性的不同支系的蛇類，結合大規模多組學技術與基因編輯等多學科交叉研究手段，系統闡釋了蛇類的起源與特殊表型演化的遺傳機制。
蛇類基因組演化特征。中科院成都生物所 供圖
研究團隊基于染色體水平蛇類基因組數據集，最新成功構建出迄今最有力的蛇類系統發育框架表明，蛇類起源于約1.18億年前早白堊紀，由穴居蜥蜴演化而來，也是四足動物四肢缺失的特化類型。
由中國科學家完成的這一全面揭示蛇類起源演化謎團的重要研究成果論文，北京時間6月19日夜間在國際著名學術期刊《細胞》(Cell)在線發表，并將于7月6日在第186卷14期以封面論文形式正式刊印。
論文通訊作者李家堂研究員指出，研究團隊基于多種高通量基因組測序技術，從頭組裝并拼接出14個高質量參考基因組(其中12個為染色體水平)代表12個不同蛇科。同時，結合近200個多物種多組織轉錄組測序數據及基因編輯等功能實驗，深入探討蛇類的起源及表型演化遺傳機制。
蛇類四肢缺失、身體延長、內臟器官不對稱發育等重要遺傳機制。中科院成都生物所 供圖
該研究表明，蛇類起源于約1.18億年前的早白堊紀，與親緣最近的蜥蜴類(帝王蛇蜥、科摩多巨蜥等)的最近共同祖先是“姐妹”關系，提示蛇類的祖先可能是某種蜥蜴。在演化過程中，蛇類最先分化出的類群為盲蛇，并在約6500萬年前白堊紀-早第三紀分界點的生物大滅絕事件之后，迎來蛇類物種的爆發。
破解四肢缺失身體延長等演化之謎
李家堂介紹說，目前全球已知蛇類約有4000種，廣泛分布于除南極洲外的各大洲陸地和海洋，棲息地多樣，適應能力強，以高度特化的重要表型如四肢缺失、身體延長、視覺和聽覺退化、紅外感應增強、左右肺不對稱發育等特殊表型，在進化歷史上處于脊椎動物演化的關鍵節點，是脊椎動物重要類群和研究動物復雜性狀形成機制的理想類群。
蛇類系統發育框架。中科院成都生物所 供圖
本項研究中，研究團隊基于比較基因組與基因編輯等多學科交叉手段發現，蛇類PTCH1蛋白特異性缺失的3個氨基酸殘基，可能是其四肢缺失的重要遺傳機制之一;大量編碼及非編碼調控元件的快速演化驅動了蛇類身體的延長，為適應身體延長，蛇類的內臟器官發生了不對稱發育，如其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發達;蛇類丟失了控制器官對稱發育的DNAH11和FXJ1B基因，則是其左、右肺不對稱發育的重要遺傳因素。
此外，這次研究還探討了紅外感應蛇類和穴居的盲蛇類物種特殊表型的演化遺傳機制，發現與熱響應相關的PMP22基因、與三叉神經發育相關的NFIB基因的非編碼調控元件的趨同演化，是部分蛇類感知紅外光譜的重要遺傳驅動力。盲蛇類物種則通過RPGRIP1等基因的丟失、CHIA等基因的快速演化以適應穴居生活，并形成專食螞蟻及螞蟻卵的食性。
蛇類特有性狀的演化遺傳機制。中科院成都生物所 供圖
未來將聚焦開發玉米蛇為模式動物
李家堂表示，本次研究率先啟動了爬行動物大規模組學研究，對理解脊椎動物演化歷史具有重要意義，將推動動物演化生物學等相關學科的發展。
研究團隊在野外開展蛇類研究工作。中科院成都生物所 供圖
最新研究結果支持了學界此前關于蛇類是由蜥蜴演化而來的假說，將加深人們對蛇類的起源及其復雜性狀的形成機制的理解，并進一步推動爬行乃至脊椎動物演化發育生物學研究，亦可為動物遺傳育種及人類相關疾病的防治提供重要啟示和科學支撐。
研究團隊在野外開展蛇類研究工作。中科院成都生物所 供圖
展望未來，李家堂透露，研究團隊后續將聚焦開發玉米蛇為模式動物并開展演化發育生物學研究。同時，圍繞蛇毒等重要遺傳資源的挖掘和運用，為抗蛇毒血清及蛇毒衍生藥物的研發提供科學支撐。研究團隊還將推動從基礎科學到應用基礎科學的發展，以更好服務國家重大戰略需求。(完)
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