宿主基因组趋同而非肠道微生物组趋同驱动哺乳动物地下适应的趋同进化

本研究针对地下哺乳动物如何适应极端环境这一科学问题，通过多组学比较分析揭示了地下生活适应的分子机制。研究人员对中华竹鼠(Rhizomys sinensis)进行染色体级别基因组组装，结合盲鼹鼠、裸鼹鼠等地下物种的基因组数据，发现Hsp90基因家族扩张、Krt9假基因化等宿主基因组趋同特征，而肠道微生物组在结构和功能上均未呈现趋同现象。该研究首次从全息基因组视角阐明地下适应以宿主基因组为主导的进化模式，为极端环境适应机制研究提供了新范式。

　　

黑暗、低氧、高二氧化碳的地下环境塑造了哺乳动物独特的适应性特征。地下哺乳动物如裸鼹鼠、盲鼹鼠等，为研究极端环境下的趋同进化提供了理想模型。然而，这种适应性变化究竟是由宿主基因组驱动，还是与共生微生物协同进化所致？此前研究多聚焦单一物种或基因组层面，缺乏对宿主-微生物组互作关系的系统解析。中国科学院动物研究所的研究团队通过多组学整合分析，首次揭示了地下适应中宿主基因组的主导作用，相关成果发表在《Cell Reports》上。

研究采用染色体级别基因组测序（Nanopore+Hi-C）、比较转录组（眼球/眼周/牙周组织）、宏基因组测序等关键技术，对野生中华竹鼠及长尾鼹等地下物种进行多维度分析。通过构建包含11种啮齿动物的系统发育框架，结合功能富集和选择压力分析，系统鉴定了地下适应的分子标记。

Hsp90基因家族扩张与缺氧适应

研究团队完成中华竹鼠3.54Gb染色体级别基因组组装，发现其Hsp90基因拷贝数达10个，形成Hsp90aa1和Hsp90ab1两个独立进化分支。该基因家族通过调控一氧化氮（NO）合成通路（GO:0045429）参与心血管稳态维持，其表达量在多个组织中显著升高。结构模拟显示，深海狮子鱼同样存在Hsp90扩张现象，暗示该基因家族可能是跨物种极端环境适应的保守机制。

视觉与听觉系统的趋同演化

比较转录组分析揭示153个眼球组织枢纽基因（如Ttl5、Gjd2）的差异表达模式，其中光转导通路（mmu04744）基因呈现显著下调。基因组层面发现35个趋同氨基酸替换基因，包括视网膜水平细胞关键调控因子Megf11（T409M），该突变同时存在于夜行性啮齿类中。值得注意的是，Krt9基因在四种地下物种中均发生假基因化，其外显子缺失和移码突变经短读长比对验证，可能与长期掘进行为导致的皮肤适应性改变相关。

牙齿发育的转录调控重塑

牙周组织比较分析发现Wnt-Shh负反馈环路关键组分（Lef1、Gas1、Gli1）表达下调，同时Fgf信号通路激活因子Spry1表达降低而Fgf1/7表达升高。这种转录重编程可能促进釉质沉积，解释地下物种特化的大型门齿结构。

肠道微生物组的非趋同性

宏基因组分析显示，尽管Muribaculaceae（竹鼠）、Prevotella（裸鼹鼠）、Romboutsia（鼹鼠）等菌群在各自宿主中占优势，但Bray-Curtis距离分析（R=0.076）表明微生物群落结构无显著趋同。多因素回归模型（MRM）证实肠道形态（部分回归系数0.32）和系统发育关系（0.28）而非栖息地是塑造菌群的主要驱力。

该研究首次从全息基因组视角阐明：地下哺乳动物的适应性进化主要依赖宿主基因组的趋同改变，包括Hsp90扩张增强缺氧耐受、感觉器官相关基因的功能退化、以及Krt9等结构蛋白的假基因化。而肠道微生物组则遵循"系统发育信号优先"原则，未表现出环境驱动的趋同进化。这一发现为理解极端环境适应提供了新的理论框架，同时提示在宿主-微生物共生体系中，不同选择压力可能作用于不同生物层级。研究采用的跨物种多组学策略，也为解析复杂性状的进化机制树立了方法学典范。