封面图上的“飞蛙”图片来源：PNAS
■本报见习记者 杨晨
云南西双版纳热带雨林地区的一类树蛙，保持着目前树栖蛙类停留高度的最高纪录。
它们喜欢生活在树冠层，最高栖息高度可达57米。这类树蛙具备强大的滑翔能力，纵身一跃，张开的蹼足就像迎风打开的滑翔伞，助力其“飞”越十余米远并平稳降落，因此这种树蛙也获得了“飞蛙”的美名。
近日，中国科学院成都生物研究所李家堂团队等以这种“飞蛙”——黑蹼树蛙为研究对象，解析了其树栖适应性复杂性状的遗传基础，阐明了与其滑翔行为相关的表型的调控机制。该成果对动物特殊功能的仿生研究和人类并指症等相关疾病的防治有重要价值。3月30日，相关成果以封面文章形式发表于美国《国家科学院院刊》。
“飞”越雨林 滑翔靠“蹼”
从2004年开始，李家堂就跟随赵尔宓院士开始树蛙相关的研究。最早是“摸家底”——开展长期的野外观察，进行大量的分类学相关工作。
随着测序技术和分子生物学的发展，从2006年开始，李家堂跟随张亚平院士开始了分子进化的相关研究。尤其当基因组学测序技术在野生动物研究领域推广后，他就琢磨着是否能以此解析树蛙特殊性状背后的分子调控机制。
喜欢住“高层”、会“飞”、产卵方式“奇特”……生活在西双版纳热带雨林、拥有多种典型特性的黑蹼树蛙是最佳的研究对象。团队猜测，滑翔这一行为与黑蹼树蛙的蹼足有关。
根据蹼占指/趾间区域的比例，可将蛙的蹼划分为无蹼、半蹼、全蹼和满蹼等类型，黑蹼树蛙的蹼则属于满蹼。为证实蹼与滑翔的关系，团队找来了蹼较弱的宝兴树蛙，对两者进行滑翔行为实验。
研究人员分别设置了1米、1.5米和2米的跳台，让两类树蛙从跳台落下并记录运动轨迹。结果发现，黑蹼树蛙“降落”时会尽力撑开四肢和蹼足，轨迹形成一定弧度，且四肢与水平面的夹角明显更小。实验确认，蹼在树蛙滑翔这一行为中起到了关键作用。
动物滑翔这一性状是动物长期适应进化的结果，是动物多样性形成的重要基础之一。李家堂说，宝兴树蛙生活在四川宝兴海拔2000多米的灌木丛或草甸中，自然就不需要空中滑翔的技能。
Wnt信号通路相关基因参与蹼的生长发育
作为一种复杂性状，蹼足的形成并非由单一基因所控制，而是由多基因之间复杂的调控机制所形成。为解析这一调控机制，团队又提取了黑蹼树蛙和宝兴树蛙蹼足各个生长期的RNA，进行对比研究。
李家堂研究团队成员、论文第一作者吴威告诉《中国科学报》，在蝌蚪登陆前后，其肢体整体长度仍不足1厘米，但该时期趾间蹼基本长满。“我们参考了早期文献中对蛙类不同生长时期的判定标准，对树蛙生长过程进行了分期。肢体发育的早期是基于手掌形态判断的，而后期则基于整个肢体的形态划定。刚刚变成小蛙的时期，被划定为第42期。”
当蝌蚪后肢的脚掌开始形成桨状（第31期生长状态）时，团队就开始进行取样，直至蹼足差不多成熟时（第46期生长状态）为止。由于组织极小，需借助16倍以上体视显微镜来观察取样。经过多次摸索，团队决定通过混样的方式以保障提取的量更大一些。
此次研究首次获取了“飞蛙”高质量基因组序列，结合两种树蛙四肢发育过程的转录组数据，并通过比较基因组学和时序基因共表达网络分析，发现Wnt信号通路相关基因参与了蹼的生长和发育，对树蛙滑翔相关性状的形成起到了关键作用。
为人类疾病防治提供基础科学价值
多年前，有其他研究学者就蝾螈蹼足的形成机制，提出过两栖动物蹼足性状受指和指间区域相对生长速率调控的影响。吴威表示，此次研究再次证实了这一结论。
“我们对比两种树蛙蝌蚪蹼足发育过程发现，当指的生长远远快于指间区域时，就会形成弱蹼或者无蹼，当指和指间区域具有相似生长速率时，就会形成全蹼或者满蹼。”吴威表示，这种对指和指间区域相对生长速率的调控是一种基础的塑造五指形态的机制。
“其实人类的手指和脚趾在生长初期也是有‘蹼’的，只不过发育中指间区域细胞凋亡，蹼退化后形成了根数分明的手指或脚趾。”李家堂表示，抑制指间细胞凋亡相关信号通路会导致并指、指骨畸形等疾病，但这种指间凋亡机制仅在羊膜动物中参与五指形成，在两栖动物中较少见。“那我们能不能从两栖动物形成自由指的关键机制中找到一些信号，为诸如并指症等人类疾病的防治提供启示呢？这是未来要继续研究的。”
值得一提的是，黑蹼树蛙的卵也非常特别。
“不同于常见的青蛙卵，黑蹼树蛙的卵就像肥皂泡，卵粒在里面均匀分布。”团队测定发现，“肥皂泡”里含有凝集素，且有保水抗菌的成分。
审稿人认为，研究团队开展了详实且严谨的研究，采用多学科方法，在行为学、肢体发育、形态比较、基因组学等方面开展了大量的工作，尤其是形态学和行为学比较实验的设计很巧妙，研究所产生的高质量数据将是重要的资源。此外，该工作解析了树蛙树栖适应背后的分子机制，对树蛙科物种垂直生态位适应提出了重要见解。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1073/pnas.2116342119
《中国科学报》 (2022-03-31 第1版 要闻)
