脊椎動(dòng)物繁殖模式主要分為兩種：卵生（oviparity）和胎生（viviparity）。卵生繁殖模式是指母體產(chǎn)卵，隨后卵在外界環(huán)境中孵化至卵內(nèi)胚胎完全發(fā)育而孵出幼體；而胎生繁殖模式則是母體將受精卵滯留在子宮或輸卵管內(nèi)直至胚胎發(fā)育完全，由母體直接分娩產(chǎn)出。胎生繁殖模式具有優(yōu)化胚胎發(fā)育環(huán)境和保護(hù)胚胎不受外在不利影響的作用，因而可以大大提高后代的存活率和適合度。根據(jù)胚胎發(fā)育的營養(yǎng)來源，可以分為卵性營養(yǎng)（Lecithotrophy）和胎性營養(yǎng)（Matrotrophy）兩種類型，卵性營養(yǎng)物種胚胎發(fā)育的營養(yǎng)來自卵黃，而胎性營養(yǎng)物種胚胎發(fā)育的營養(yǎng)由母體通過胎盤供應(yīng)。卵生物種都屬于卵性營養(yǎng)，而胎生物種可據(jù)胚胎發(fā)育的營養(yǎng)來源劃分為卵性營養(yǎng)胎生和胎性營養(yǎng)胎生，不同胎生物種處于卵性-胎性營養(yǎng)連續(xù)譜的不同位點(diǎn)上。絕大多數(shù)爬行動(dòng)物處于極端卵性營養(yǎng)一端，但極少數(shù)胎生石龍子胚胎發(fā)育顯著依賴胎性營養(yǎng)。哺乳動(dòng)物中的真獸類處于極端胎性營養(yǎng)一端。

有鱗類爬行動(dòng)物（包括蜥蜴、蛇和蚓蜥）約有20%的胎生物種，其獨(dú)立起源次數(shù)可能達(dá)98-129次，超過整個(gè)脊椎動(dòng)物的胎生起源次數(shù)的三分之二。有鱗類的胎生起源多發(fā)生在較低的分類階元（屬下、種下水平），便于進(jìn)行不同繁殖模式的比較研究，因此為研究胎生繁殖模式的進(jìn)化提供了一個(gè)重要的模型。卵生如何進(jìn)化為胎生？這是十分重要的基礎(chǔ)性生物學(xué)問題。過去基于生理、組織形態(tài)等方面的研究發(fā)現(xiàn)，胎生進(jìn)化伴隨卵殼退化、胚胎附著、胎盤發(fā)育、受精卵延長滯留、免疫耐受等方面相應(yīng)的改變。然而，這些變化的遺傳機(jī)制尚屬空白。

要解答這一問題，首先需要選好研究的模式系統(tǒng)。中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所研究員車靜領(lǐng)導(dǎo)的課題組在長期積累的研究基礎(chǔ)上，最終挑選了沙蜥屬物種作為研究對(duì)象。生活在青藏高原高海拔地區(qū)的沙蜥屬所有物種，包括青海沙蜥（Phrynocephalus vlangalii），面對(duì)高海拔低溫、低氧等惡劣環(huán)境，進(jìn)化出了典型的胎生繁殖模式，而鄰近低海拔地區(qū)近緣物種，如荒漠沙蜥（P. przewalskii）等則具有卵生繁殖模式。其次，開展該項(xiàng)研究，還需要多方面的技術(shù)和專長。車靜聯(lián)合國內(nèi)外6個(gè)研究組組成了聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。

研究人員在建立荒漠沙蜥及青海沙蜥室內(nèi)繁殖體系及明確物種不同繁殖時(shí)期性狀對(duì)比的基礎(chǔ)上，最終成功獲得兩物種主要繁殖差異時(shí)期輸卵管及子宮轉(zhuǎn)錄組樣品。與此同時(shí)，他們成功解析了青海沙蜥和荒漠沙蜥全基因組數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，得以構(gòu)建兩物種在不同發(fā)育時(shí)期母體輸卵管/子宮組織的基因表達(dá)譜，通過基因的進(jìn)化分析和表達(dá)分析，鑒定出了控制諸如卵殼退化、延遲產(chǎn)卵等一系列性狀的關(guān)鍵候選基因/通路。此外，通過與有鱗類中的麻蜥屬（Eremias）、蜓蜥屬（Sphenomorphus）、滑蜥屬（Scincella）等其它胎生物種的趨同進(jìn)化比較研究，得以從序列和表達(dá)調(diào)控兩個(gè)層面對(duì)胎生進(jìn)化的遺傳機(jī)制及其相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析。

在卵殼退化方面，研究發(fā)現(xiàn)在荒漠沙蜥（卵生）卵殼腺形成時(shí)期（卵黃生成期，S1期），與輸卵管/子宮上皮分化、腺體發(fā)育等相關(guān)功能的基因呈現(xiàn)特異性高表達(dá)，而這些基因在青海沙蜥（胎生）的相應(yīng)時(shí)期并沒有呈現(xiàn)相同的趨勢。如雌激素受體（ESR）介導(dǎo)的生長因子通路，此前報(bào)道與卵殼腺形成相關(guān)，且該通路中的部分基因在荒漠沙蜥S1期特異高表達(dá)，而在青海沙蜥中則呈現(xiàn)相反的表達(dá)模式。該結(jié)果表明，卵殼腺的退化可能是導(dǎo)致青海沙蜥卵殼退化的關(guān)鍵因素。

除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于荒漠沙蜥（卵生）的產(chǎn)卵期（S3期），青海沙蜥（胎生）在基因表達(dá)上表現(xiàn)出一定的差異。比如，ESR以及其它一些生長因子受體（如GHR、IGF1R）在該時(shí)期的高表達(dá)可能對(duì)胎盤的發(fā)育起到了促進(jìn)作用。而PTGS2基因（起促進(jìn)子宮肌肉收縮作用）在S3期之后的下調(diào)以及ADRB2基因（具維持子宮肌肉靜默的作用）在整個(gè)妊娠期間的持續(xù)高表達(dá)可能促進(jìn)了其產(chǎn)卵/仔時(shí)間的延遲。

最后，通過對(duì)不同胎生蜥蜴的趨同進(jìn)化分析，發(fā)現(xiàn)4個(gè)基因（C7, NKTR, NBEAL2, PTX2）存在趨同的氨基酸替換。這些基因均與免疫相關(guān)，且其中兩個(gè)在胚胎附著（S3期）后表達(dá)下調(diào)，可能涉及母體對(duì)胚胎的免疫調(diào)節(jié)。然而，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)這種趨同進(jìn)化的水平并不高于隨機(jī)情況下產(chǎn)生的氨基酸替換，同時(shí)基于胎生支系進(jìn)化速率的分析也沒有得到趨同的信號(hào)。這一分析結(jié)果提示，胎生進(jìn)化可能更多地受基因表達(dá)的調(diào)控，而非序列變異。

該研究已在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上在線發(fā)表。昆明動(dòng)物所博士研究生高偉、副研究員孫艷波、副研究員周煒幃以及助理研究員熊子軍為論文的共同第一作者，昆明動(dòng)物所研究員車靜、張亞平，南京師范大學(xué)教授計(jì)翔以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校教授David Hillis為論文的共同通訊作者。該研究得到中科院先導(dǎo)項(xiàng)目（B）、國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中科院西部之光及中科院國際訪問學(xué)者計(jì)劃的資助。

圖1. 荒漠沙蜥（卵生）和青海沙蜥（胎生）主要繁殖時(shí)期對(duì)比以及該研究中轉(zhuǎn)錄組樣品收集時(shí)期表

圖2. 荒漠沙蜥及青海沙蜥室內(nèi)繁殖體系建立

圖3. 卵殼腺退化相關(guān)基因的表達(dá)模式。（A）荒漠沙蜥卵殼腺形成時(shí)期（S1）特異高表達(dá)基因在兩物種的表達(dá)豐度熱圖；（B）兩物種卵黃生成期（S1）特異高表達(dá)基因的比較；（C）已報(bào)道與卵殼腺形成相關(guān)的關(guān)鍵基因在兩物種中的表達(dá)模式。