揭秘鸟类贮食行为的遗传基础 | Cell Press青促会述评

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2021年第四十期（总第77期）专栏文章，由中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）副研究员 中国科学院青促会会员 马利娜，就 Current Biology 中的论文发表述评。

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认知能力和相关大脑形态的种间和种内变异是一个非常有趣且饱有争议的话题。人们普遍认为认知能力更容易受到社会发展和个人经历等外界因素影响，这似乎是高等生物的特质，而对于人以外物种的研究往往未被触及。实际上，很多动物在认知能力有关的行为上展现出了惊人的天赋，尤其是当这些行为关乎其生存的时候。

一些鸟类通过贮藏食物越冬，其中贮存和找回食物均需具备高度专业的空间认知能力。在更严酷的冬季条件下，鸟类对食物贮藏的依赖性很大，高海拔和高纬度的山雀在空间认知能力上的表现明显优于居住在较温和环境中的鸟类，并且在海马形态上表现出显著增多的神经元数量、变大的胞体和海马神经发生率的增加。此外，空间认知的差异与海马中的基因表达差异有关。

不难想象，空间认知能力的强弱和这些鸟类的生存密切相关。进一步可以推断，这种高度专业的空间认知能力通过自然选择在物种间进化。目前，空间认知能力和生存研究已经为这一推断提供了直接证据。接下来，我们不禁思考，鸟类空间认知能力的遗传基础是什么呢？具体哪些基因在影响着认知能力的差异？

Carrie L. Branch所在的研究团队在2019年的研究中首次为空间认知能力的自然选择假设提供了最为直接的证据，此次，他们在基因组学解析方面又获得了新的发现。以非迁徙鸟类为研究对象，这些鸟类利用空间学习和记忆来找回它们的食物储备，以渡过严冬。研究发现空间认知能力的个体差异与基因组变异相关，其中强关联基因与海马发育和功能相关。该文章于11月3日发表在Cell Press旗下Current Biology上。

白眉山雀

研究人员沿着内华达山脉北部的不同海拔高度，对野生、自由生活的北美白眉山雀（Poecile gambeli）进行了空间学习和记忆能力比较及基因组变异分析。白眉山雀是非迁徙性贮食鸟类，依靠特有的空间记忆来找回提前贮存的食物，这些食物颗粒有成千上万之多，分散在其领域内的不同角落。当然，与空间认知能力较差的个体相比，空间学习和记忆力较好的个体更有可能渡过第一个冬天。

研究人员将白眉山雀分为高海拔和低海拔组（图1A），其所在环境的降雪厚度具有明显差异（图1B）。在每个组内，研究人员分别筛选出在空间认知表现最好的和表现最差的个体。空间认知能力较好组具有显著生存优势，存活了一年以上（n=22），而表现最差的鸟类通常存活不超过一年（n=15/20）。生活在高海拔和高纬度地区的山雀具有良好的空间认知能力，在海马形态上也表现出显著的不同（图1C）。

实验中最为关键的环节，如何采集这些数据呢？得益于成熟的支持射频识别（RFID）的智能喂食器装置（图1D），针对鸟类空间认知能力进行了有力的表征和评估。基于此，研究团队在2016-2018年期间进行长期监测和数据采集，为本研究及相关研究的开展创造了至关重要的前提条件。

参与实验的白眉山雀在腿部都佩戴了嵌入无源集成应答器标签的塑料腿带，以便进行特异识别。

RFID智能喂食器工作原理

RFID空间阵列由8个等距喂食器组成，每只鸟只在一个喂食器位置获得奖励，而每个喂食器都将记录所有到访鸟的标识和访问时间（图1D）。

白眉山雀取食场景

根据每次取食的平均错误数评估空间认知能力。

空间认知能力评估方法

研究人员使用全基因组测序，结合传统的全基因组关联研究和随机森林机器学习方法，开展基因组比较分析。3年测试中，共抽取了42只具备极端认知能力的 白眉山雀进行基因组测序分析：22只表现最佳，20只表现最差（图1E中黑色轮廓的三角或圆圈）。最佳组和最差组得分无重叠，差异显著，且每组组内的海拔高度差异影响不大（图1F）。

▲图1 野外空间认知能力测试。（A）高海拔和低海拔取样示意图。（B） 5年内高海拔和低海拔地区年平均雪深变化。（C） 研究团队的前期研究结果，显示生活在高海拔和低海拔地区白眉山雀海马神经元数量和胞体大小的显著个体差异。（D） 智能空间认知测试装置示意图。（E）高（N=243）和低（N=162）海拔白眉山雀3年测试中（2016-2018）的空间认知能力分布。（F） 用于基因组测序分析的白眉山雀的空间认知表现比较结果。

采用亲缘关系较近的黑顶山雀（P.atricapillus）作为参考基因组比对，获得4100万个SNP。使用GEMMA进行全基因组关联分析鉴定出 1338个（log10（p）>5）和305个（log10（p）>6）与认知表型相关的SNP（图2）。鉴于基因组数据集包含1200万个基因座，上述显著性阈值下的预期假阳性分别为120和12个基因座，这表明获得的基因型-表型关联信号是有意义的。而且，最显著关联的SNP非成簇出现，符合多基因遗传结构。

接下来，研究人员使用贝叶斯稀疏线性混合模型（BSLMM）评估了空间认知表型的遗传结构和遗传力。结果显示，主要的表型效应可能由约10个位点决定，可解释87%的表型变异。但可能由于样本量较小，预测能力较弱，BSLMM会高估表型的遗传力。尽管如此，这些结果确实表明空间认知表型的遗传率可达到中等到高等水平。

同时，研究人员利用随机森林算法推断SNP的重要性，计算了116059个SNP的重要性分数，其中最高的0.1%（n=1312）在解释认知表型方面可能有更为重要的贡献。尽管采用截然不同的算法，GEMMA和随机森林算法均确定了52个基因座为高度显著的离群值（图2），提示这些基因座在影响认知差异中的重要作用。

▲图2 空间认知表型的遗传关联。上图：GEMMA全基因组关联研究结果，橙色突出显示log10（p）>5的离群SNP。下图：使用机器学习算法（随机森林）推断的单个SNP的重要性值，红色突出显示前0.1%的位点。两图中暗轮廓标注的为GEMMA和随机森林之间的重叠点。

基于上述离群位点，GEMMA和随机森林分析分别鉴定出1251个和1225个已知基因，其中266个基因被GEMMA和随机森林算法同时捕获到。功能富集分析揭示这些基因与神经功能和神经系统发育有显著关联，包括神经元生长和发育、端脑发育和神经发生。有趣的是，使用鸡基因组作为参考的随机森林基因集富集分析中，最显著的功能类别是“碱性磷酸酶活性调节”，已知碱性磷酸酶可促进海马神经元的轴突生长。

研究人员进一步分析了关联值最高SNP所在基因组位点的基因和基因功能（图3）。强关联位点在蛋白质编码区和基因附近的非编码区均有分布。其中，与海马发育和功能相关的基因都是认知表现差异的有力候选基因（表1）。

ROBO1、ROBO2和SLIT2参与轴突引导、大脑发育、祖细胞增殖和迁移；WNT3A、LEF1和ZEB2对海马的发育至关重要；FGF13影响啮齿动物海马神经发生；CNTN6是大脑和海马发育过程的关键基因，而且它被认为是自闭症风险基因；BMP2影响与学习和记忆相关的海马功能；AGAP3参与调节与学习和记忆相关突触强度；DRD2和NMDE2被检测到与鸟类认知功能有关。此外，GRM3和ELMO1在不同纬度的黑顶山雀的海马中表现出差异表达。

重点基因集中的每个SNP都显示出与认知表型的显著关联，呈现从低到中等强度的关联分布，符合多基因性状的预期。其中，半数顶级SNP与认知表型的关联强度超过50%，表明至少存在中度遗传力，与BSLMM结果一致。有趣的是，除了一例，所有的“最差”等位基因明显缺乏纯合基因型（图3）。这些纯合子基因型可能会导致行为或生理缺陷，携带者很难存活到成年，值得进一步研究。

▲图3 认知能力显著关联SNP所在区域的基因。左图：基因组区域的强关联位点分布。橙色为GEMMA分析结果，红色为随机森林分析结果，粗体显示已知与行为或神经功能相关或和行为障碍相关的基因名称。右图：每个区域最强SNP基因型与认知表型之间的关系。H1、H2和He分别代表纯合子1和2以及杂合子。深蓝色和浅蓝色分别表示雄性和雌性。注意，“最差”纯合子未取样。

总的来说，基于独特的长期野外数据集，研究人员发现了大量基因中的显著差异与贮食山雀空间学习和记忆能力个体差异相关。一直以来，对认知的研究被局限于实验室环境和人类，而技术和基因组分析的进步为检验生态学和进化生物学中许多长期存在的假设铺平了道路，从而帮助我们更好地理解自然发生的表型变异。该研究为阐述自然选择作用下的认知变异和进化的关键因素提供了第一个直接证据，明确了遗传差异是野生鸟类空间认知能力个体变异的基础。

未来还需要更多研究以回答是否可通过某些基因或位点预测山雀的空间认知能力。该研究团队也将侧重于使用更大、更具代表性的样本量化遗传力，研究强选择事件对等位基因频率的影响，并了解空间学习和记忆选择的时间变化和地理上的一致性。

表1 排名靠前的基因及其与认知能力的相关性

论文摘要

大多数生物利用空间认知进行定位和导航。一些物种尤其依赖特有的空间认知以生存，提示某些可遗传的认知可能受到自然选择。这一观点尚未在人类之外的物种中验证，主要由于人们普遍认为认知能力是受到学习和经验的强烈影响。对于生活在山区的非迁徙贮食鸟类，在食物匮乏的严冬需要能找回贮藏的食物才能得以生存。作者研究了这些野生、自由生活的鸟类，解析它们在空间认知方面个体差异的遗传基础。将这些鸟类按照空间认知能力分组，发现其能力强弱与神经元生长发育和海马功能相关的基因存在显著关联。这一研究不仅鉴定了影响空间认知能力的相关基因，同时为明确鸟类空间认知能力受到自然选择提供了关键的支持。

Spatial cognition is used by most organisms to navigate their environment. Some species rely particularly heavily on specialized spatial cognition to survive, suggesting that a heritable component of cognition may be under natural selection. This idea remains largely untested outside of humans, perhaps because cognition in general is known to be strongly affected by learning and experience. We investigated the genetic basis of individual variation in spatial cognition used by non-migratory food-caching birds to recover food stores and survive harsh montane winters. Comparing the genomes of wild, free-living birds ranging from best to worst in their performance on a spatial cognitive task revealed significant associations with genes involved in neuron growth and development and hippocampal function. These results identify candidate genes associated with differences in spatial cognition and provide a critical link connecting individual variation in spatial cognition with natural selection.

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中文内容仅供参考，请以英文原文为准

述评人简介

马利娜

中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）副研究员

中国科学院青促会会员

[e-mail]

马利娜，中国科学院青年创新促进会会员，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）副研究员。主要研究方向为生命多组学数据整合与分析挖掘、非编码RNA审编与注释。作为国家基因组科学数据中心Team Leader，主导开发10个生物数据库及软件工具，数据库及软件被近30万用户访问和使用超过80万次，在Nucleic Acids Research、Bioinformatics、Genomics Proteomics & Bioinformatics等杂志共发表40篇文章，其中第一或通讯作者文章25篇，Google Scholar累计引用2500余次。

Lina Ma is an associate professor in China National Center for Bioinformation / Beijing Institute of Genomics, Chinese Academy of Sciences. She has been a “Member of Youth Innovation Promotion Association CAS” since 2019. Her research focuses on multi-omics data integration and analytics, non-coding RNA curation and annotation. As a Team Leader in National Genomics Data Center, she has lead the construction of 10 database resources or tools, which have been accessed or used for more than 800 thousand times by about 300 thousand users around the world. She has published 40 papers in Nucleic Acids Research, Bioinformatics, Genomics Proteomics & Bioinformatics, etc., and is listed as the first or corresponding authors (including the co-first and co-corresponding) in 25 papers. As of October 2021, these papers have received more than 2500 citations according to Google Scholar.

Profile: https://ngdc.cncb.ac.cn/people/Lina-Ma

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊Current Biology上，

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中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

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