动物研究所揭示黄胸鼠耐受低温的局限性并预测其扩张范围

黄胸鼠(Rattus tanezumi)和褐家鼠(R. norvegicus)全球性分布,是臭名昭著的入侵物种,也是我国最主要的两种家栖鼠类,它们危害农业生产、破坏基础设施,还能传播人畜共患病。黄胸鼠起源于南亚等地,更适应温暖的气候,在我国主要分布于长江流域一带及以南地区,而褐家鼠起源于我国东北及周边地区,对低温有较强的耐受性。随着全球变化加剧,许多动物向高纬度和高海拔地区扩张或入侵。近40年来,黄胸鼠在我国的分布区由南向北扩张,最北接近北纬40°。研究人员在天津,河北徐水,山西五台,甘肃张掖以及西藏拉萨和山南等地都发现黄胸鼠野生种群。

为了探索黄胸鼠低温耐受能力和进一步北扩的可能范围,尤其能否继续扩张到东北地区,与褐家鼠东北种群重叠而形成新的危害,研究人员对全国范围内的褐家鼠和黄胸鼠样本进行了全基因组分析,并对室内群体进行低温驯化实验,比较了两种家鼠的遗传和表型,基本明确了黄胸鼠的北扩边界在长城一带,耐受低温的遗传和生理的局限性使其难以在东北建群。

群体基因组分析发现,我国的黄胸鼠从南向北扩张,已经分化成华北、西北和西藏三支,尤其是与温度适应有关的遗传变异的频率在北方新环境显著升高。例如,涉及甘油三酯代谢的基因:Apoa1Apoa4在黄胸鼠华北种群中受到正选择,它们与脂肪代谢、产生能量和适应寒冷气候有关。西北种群中受正选择的基因主要与干旱气候适应有关,西藏种群中受到正选择的基因与低氧适应有关。

尽管华北黄胸鼠在适应低温方面具有可塑性,但与同域分布在华北的褐家鼠相比,它们经历了不同的演化过程,不论是遗传和表型上,黄胸鼠应对寒冷的能力均弱于褐家鼠。在0°C以下,黄胸鼠需要更高的耗氧产热以及非颤抖性产热(褐色脂肪BAT)来维持体温恒定。在行为方面,褐家鼠在低温下储食行为明显,存储大量食物,并且个体间攻击显著减少,而黄胸鼠没出现这些行为。这表明黄胸鼠在冬季维持体温需要更高的生理代价,并且获得食物和集群御寒的能力较差。另外,进一步将室内模拟温度降低到-10°C、-20°C,发现在-20°C黄胸鼠存活不过2天而褐家鼠安然无恙。在户外的饲养观察表明,黄胸鼠在天气持续-8℃到-18°C时,水粮充足,也难以活过2天。

总之,黄胸鼠种群向北扩张过程中,产生了对低温的适应性变异,但由于对低温耐受的遗传和生理的局限性阻碍其向北进一步扩张,他们难以越过长城在东北建立种群,不可能与东北褐家鼠种群产生大规模重叠。该研究于近日发表在国际权威期刊Molecular Biology and Evolution杂志,题为Genomic and phenotypic adaptations of Rattus tanezumi to cold limit its further northward expansion and range overlap with R. norvegicus(Ming-Yu Zhang#,Rui-Dong Cao#,Yi Chen,Jian-Cang Ma,Cheng-Min Shi,Yun-Feng Zhang,Jian-Xu Zhang*,Yao-Hua Zhang*;)张瑶华博士、张健旭研究员为共同通讯作者,博士生张明宇、曹瑞东为共同第一作者。

该系列研究得到科技部国家重点研发项目,国家基金委重大任务项目,中国科学院STS项目和北京市基金项目等的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1093/molbev/msae106

黄胸鼠(上图左和左下)和褐家鼠(上图右和右下图)

黄胸鼠种群遗传分化和环境因子的关系(景观基因组分析)(AMT 年平均温度;AP:年降水;POPU:人口密度;ELV: 海拔)

黄胸鼠(RT)和褐家鼠(RN)华北、西北、南方、西藏(仅有RT)和东北(仅有RN)受选择的基因

室内冷驯化后,黄胸鼠(RT)和褐家鼠(RN)体重、取食量、攻击行为、基础代谢率(BMR)、褐色脂肪(BAT)以及其基因表达

北京冬季,黄胸鼠户外暴露实验和对应的天气条件(左侧 2天内死亡;右侧正常生活)

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