生物的宏观行为如何影响微观的基因组演化，一直是演化生物学领域关注的前沿科学问题之一。近日，中国科学院动物研究所雷富民研究员团队与翟巍巍研究员团队合作，在PLOS Biology发表了题为“Flight style and metabolism shape the tempo of genome evolution in birds”的研究论文。该研究发现，鸟类飞行方式等宏观行为所带来的代谢差异，会深刻地塑造基因组的演化速率。这一成果成功将宏观层面的行为特征与微观层面的演化机制紧密联结，为理解基因组演化的驱动因素提供了全新证据。

前期研究发现，体重通常被认为是主导单核苷酸替换率（简称替换率）等基因组演化速率的核心因素，体型小的动物代谢快，替换率也快。然而，在矫正了体重这一因素后，替换率的残余差异（简称残差）在鸟类类群之间依然存在明显不同。令人惊奇的是，这部分差异与鸟类的飞行特点高度关联：例如，擅长翱翔的鸟类其替换率残差较低，而振翅飞行的鸟类则较高。

飞行方式这一宏观行为，是通过怎样的机制影响基因组的演化速率？研究人员假设，解释这一现象的关键在于能量代谢。首先，不同飞行方式在能量代谢上存在巨大差异：秃鹫等鸟类在翱翔时心率接近静息水平，而振翅飞行则表现出极高的能耗；其次，在细胞水平上，这种由振翅飞行引发的高强度代谢会产生大量活性氧（ROS），进而诱发 DNA 氧化损伤并导致突变。这些证据间接表明，能量代谢可能是连接飞行方式和基因组演化速率的桥梁。

为验证这一假说，研究团队利用万种鸟类基因组项目（B10K）已发表的 363 种鸟类的全基因组序列，从三种不同机制的基因组演化速率指标切入，针对鸟类飞行、代谢和基因组演化速率的关联展开了深入分析（图1）。除了经典的替换率之外，研究团队还计算了DNA缺失速率。研究发现，替换率和DNA缺失速率均易受到代谢相关的氧化损伤驱动。然而，由DNA 复制过程主导的微卫星分歧速率，对代谢变化相对不敏感。

 统计分析结果表明：在校正了世代时间与有效种群大小等干扰因素后，替换率及 DNA 缺失速率与飞行方式呈现出显著的相关性，微卫星分歧速率则与飞行方式没有显著关联。为进一步阐明可能的生物学机制，研究团队整合了心脏重量、野外代谢率以及衡量翼型功效的“飞行功效比率”，进行了深入的关联分析。结果证实，飞行方式与心脏重量及飞行功效比率高度相关，且 DNA 缺失速率与代谢率也显著相关。中介效应则从因果链条的角度进一步揭示，飞行功效比率在飞行方式与 DNA 缺失速率之间发挥了显著的中介调节作用。 这有力地验证了研究假说：飞行方式通过影响机体代谢水平，特异性地加速或减慢了那些受代谢驱动的基因组元件的演化。

综上所述，该研究不仅系统阐明了鸟类基因组演化速率受到体重、飞行方式等多重宏观因子的调控，也揭示了基因组不同演化元件（如单核苷酸、缺失及微卫星）具有不同的宏演化驱动力。更具启发意义的是，过去演化生物学领域多聚焦于基因型如何决定表型，而这项工作提供了一个生动的反向视角：飞行方式等宏观层面的运动行为，能够在漫长的演化过程中，反过来深刻地塑造微观尺度上基因组的演化速度。

该项研究由中国科学院动物研究所雷富民团队与翟巍巍团队协同多位国内外合作者共同完成，助理研究员季妍竹、博士研究生吴蕾为论文共同第一作者。合作参与单位包括河北师范大学、浙江大学、深圳华大生命科学研究院、郑州师范学院、陕西中医药大学、淮阴师范学院、内布拉斯加大学科尔尼分校、阿伯丁大学、普渡大学、以及帝国理工学院等。该研究获得了国家自然科学基金委面上项目、重点项目，以及中国科学院动物研究所自主部署等项目的资助。

原文链接：https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3003884

图1. （A）本研究的流程图以及（B）飞行方式等特征和基因组演化速率的展示