云南西雙版納熱帶雨林地區的一類樹蛙，保持著目前樹棲蛙類停留高度的最高紀錄。
它們喜歡生活在樹冠層，最高棲息高度可達57米。這類樹蛙具備強大的滑翔能力，縱身一躍，張開的蹼足就像迎風打開的滑翔傘，助力其“飛”越十余米遠并平穩降落，因此這種樹蛙也獲得了“飛蛙”的美名。
近日，中國科學院成都生物研究所李家堂團隊等以這種“飛蛙”——黑蹼樹蛙為研究對象，解析了其樹棲適應性復雜性狀的遺傳基礎，闡明了與其滑翔行為相關的表型的調控機制。該成果對動物特殊功能的仿生研究和人類并指癥等相關疾病的防治有重要價值。3月30日，相關成果以封面文章形式發表于美國《國家科學院院刊》。
“飛”越雨林 滑翔靠“蹼”
從2004年開始，李家堂就跟隨趙爾宓院士開始樹蛙相關的研究。最早是“摸家底”——開展長期的野外觀察，進行大量的分類學相關工作。
隨著測序技術和分子生物學的發展，從2006年開始，李家堂跟隨張亞平院士開始了分子進化的相關研究。尤其當基因組學測序技術在野生動物研究領域推廣后，他就琢磨著是否能以此解析樹蛙特殊性狀背后的分子調控機制。
喜歡住“高層”、會“飛”、產卵方式“奇特”……生活在西雙版納熱帶雨林、擁有多種典型特性的黑蹼樹蛙是最佳的研究對象。團隊猜測，滑翔這一行為與黑蹼樹蛙的蹼足有關。
根據蹼占指/趾間區域的比例，可將蛙的蹼劃分為無蹼、半蹼、全蹼和滿蹼等類型，黑蹼樹蛙的蹼則屬于滿蹼。為證實蹼與滑翔的關系，團隊找來了蹼較弱的寶興樹蛙，對兩者進行滑翔行為實驗。
研究人員分別設置了1米、1.5米和2米的跳臺，讓兩類樹蛙從跳臺落下并記錄運動軌跡。結果發現，黑蹼樹蛙“降落”時會盡力撐開四肢和蹼足，軌跡形成一定弧度，且四肢與水平面的夾角明顯更小。實驗確認，蹼在樹蛙滑翔這一行為中起到了關鍵作用。
動物滑翔這一性狀是動物長期適應進化的結果，是動物多樣性形成的重要基礎之一。李家堂說，寶興樹蛙生活在四川寶興海拔2000多米的灌木叢或草甸中，自然就不需要空中滑翔的技能。
Wnt信號通路相關基因參與蹼的生長發育
作為一種復雜性狀，蹼足的形成并非由單一基因所控制，而是由多基因之間復雜的調控機制所形成。為解析這一調控機制，團隊又提取了黑蹼樹蛙和寶興樹蛙蹼足各個生長期的RNA，進行對比研究。
李家堂研究團隊成員、論文第一作者吳威告訴《中國科學報》，在蝌蚪登陸前后，其肢體整體長度仍不足1厘米，但該時期趾間蹼基本長滿。“我們參考了早期文獻中對蛙類不同生長時期的判定標準，對樹蛙生長過程進行了分期。肢體發育的早期是基于手掌形態判斷的，而后期則基于整個肢體的形態劃定。剛剛變成小蛙的時期，被劃定為第42期。”
當蝌蚪后肢的腳掌開始形成槳狀（第31期生長狀態）時，團隊就開始進行取樣，直至蹼足差不多成熟時（第46期生長狀態）為止。由于組織極小，需借助16倍以上體視顯微鏡來觀察取樣。經過多次摸索，團隊決定通過混樣的方式以保障提取的量更大一些。
此次研究首次獲取了“飛蛙”高質量基因組序列，結合兩種樹蛙四肢發育過程的轉錄組數據，并通過比較基因組學和時序基因共表達網絡分析，發現Wnt信號通路相關基因參與了蹼的生長和發育，對樹蛙滑翔相關性狀的形成起到了關鍵作用。
為人類疾病防治提供基礎科學價值
多年前，有其他研究學者就蠑螈蹼足的形成機制，提出過兩棲動物蹼足性狀受指和指間區域相對生長速率調控的影響。吳威表示，此次研究再次證實了這一結論。
“我們對比兩種樹蛙蝌蚪蹼足發育過程發現，當指的生長遠遠快于指間區域時，就會形成弱蹼或者無蹼，當指和指間區域具有相似生長速率時，就會形成全蹼或者滿蹼。”吳威表示，這種對指和指間區域相對生長速率的調控是一種基礎的塑造五指形態的機制。
“其實人類的手指和腳趾在生長初期也是有‘蹼’的，只不過發育中指間區域細胞凋亡，蹼退化后形成了根數分明的手指或腳趾。”李家堂表示，抑制指間細胞凋亡相關信號通路會導致并指、指骨畸形等疾病，但這種指間凋亡機制僅在羊膜動物中參與五指形成，在兩棲動物中較少見。“那我們能不能從兩棲動物形成自由指的關鍵機制中找到一些信號，為諸如并指癥等人類疾病的防治提供啟示呢？這是未來要繼續研究的。”
值得一提的是，黑蹼樹蛙的卵也非常特別。
“不同于常見的青蛙卵，黑蹼樹蛙的卵就像肥皂泡，卵粒在里面均勻分布。”團隊測定發現，“肥皂泡”里含有凝集素，且有保水抗菌的成分。
審稿人認為，研究團隊開展了詳實且嚴謹的研究，采用多學科方法，在行為學、肢體發育、形態比較、基因組學等方面開展了大量的工作，尤其是形態學和行為學比較實驗的設計很巧妙，研究所產生的高質量數據將是重要的資源。此外，該工作解析了樹蛙樹棲適應背后的分子機制，對樹蛙科物種垂直生態位適應提出了重要見解。(見習記者 楊晨)
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