适应性辐射是一组相关的生物体，它们从一个共同的祖先相对迅速地多样化。一些辐射的一个显著特征是，近缘物种之间存在多态性变异。这一发现提出了一个问题:变异是如何在多个相关物种中持续存在的?共享多态性通过共享的祖先变异、重复突变和基因渗入产生，并通过负频率依赖选择、杂合优势或选择压力的时空波动来维持。区分这些选择需要理解表型变异的遗传基础，系统发育历史，和自然种群的适应度变异。
一项发表在《Current biology》标题为“A multispecies BCO2 beak color polymorphism in the Darwin’s finch radiation” 研究表明达尔文雀中黄喙和粉喙多态性是在50万年前的加拉帕戈斯群岛（Galápagos）通过与BCO2基因调节变化相关的突变产生的，并被14个后代物种共享。并可能与饮食有关。
达尔文雀类的十种雏鸟(三种金翅雀和七种地雀)的喙颜色多态性已被记录在案。雏鸟的喙不是粉红色就是黄色(图1A)，在孵化时就能辨认出来，不同物种间外观相似。黄色表现型是隐性遗传的，粉红色和黄色的变种发生在同一个巢中，但原因未知。粉红色是因为可以看到血液供应。由于黑色素沉积，羽化数周后表型逐渐模糊。
为了确定与多态性相关的等位基因，作者集中研究了大达夫尼岛（Daphne Major island）上的两个不同形态频率的物种: 仙人掌地雀（Geospiza scandens，黄色频率～30%)和中地雀（G. fortis，黄色频率～20%)。作者对456个已知表型个体进行了低覆盖率的全基因组测序。使用ANGSD软件生成基可能的基因型，并在广义logistic回归模型下进行关联分析。作者在24号染色体上发现一个黄色表型密切相关的区域，该区域与裂解胡萝卜素的β-胡萝卜素加氧酶2基因重叠（BCO2；图1B）。已知下调BCO2表达或活性的突变会增加鸟类、哺乳动物和爬行动物体内类胡萝卜素和色素表型的沉积。通过观察两个物种的456个个体组合样本，作者用似然比试验（LRT）鉴定出一个似然比检验统计超过166的外显子SNP（图1C）。这个SNP(chr24:6,166,878;之后简称p6166878)导致32bp同义突变为BCO2外显子4。作者使用了16个粉红色和8个黄色个体以及一个更大的未知表型个体子集的高覆盖测序数据，来搜索与p6166878相关的SNP或结构变异，但没有任何发现，并证实了与p6166878的强表型关联。
为了进一步证实p6166878的相关性，作者对1975年至2012年期间从加拉帕戈斯群岛收集的5个物种的1,631个已知表型的个体进行了基因型分析。在这些个体中，98%的基因型与通过表型预测的基因型相匹配(图1E)。少数粉红色和黄色基因型的不匹配可能是表型错误或营养有限的结果，不匹配的个体通常聚集在家庭中，不是由物种决定的，这表明可能是未知的遗传或共同的环境贡献。所有纯合子基因型均未表现出黄色表型。
黄等位基因在莺雀(阿列布莺雀[Certhidea olivacea]和灰莺雀[C. fusca])或素食雀(Platyspiza crassirostris[植食树雀])中均未发现(图2)。因此，它很可能是在大约50万年前素食雀谱系和地/树雀谱系分离后不久通过突变而出现的(图2)。这种多态性在整个辐射中都保留了。嗜血达尔文雀（G. septentrionalis）这个物种的所有个体都有黄色的喙，但独特的是，他们也有黄色的腿和黄色的皮肤，所有这三个特征都保留到了成年，这显示了它与其他物种的雏鸟喙颜色多态性不同的遗传基础。但由于嗜血达尔文雀没有种内表型变异，所以无法解释其遗传基础。
作者发现，p6166878将参考基因组中缬氨酸密码子的最高频率（fGTG=27.3%）更改为最低频率（fGTA=7.6%）。这与观察到的黄色突变的表型效应一致，因为较低丰度的密码子预期与较低的蛋白表达相关。在这种情况下，较少的BCO2活性导致黄色形态中更多的类胡萝卜素沉积。另一个发现是，在发育中的胚胎中，与粉红色纯合子相比，黄色纯合子的BCO2表达显著降低（图1F）。在6个杂合子个体中，用液滴数字PCR检测的5个样本中，粉色等位基因的表达量高于黄色等位基因。这两个等位基因之间表达的差异，以及在缺乏可选剪接变体的情况下，提高了同义变化改变第4外显子转录因子结合亲和力的可能性。
达尔文雀共有的14个或更多物种的基因组核苷酸多态性，约占所有多态性位点的5%。因此，BCO2多态性位于多态位点分布的尾部，在系统发育过程中表现出广泛的物种多态性。这种多态性的长期持久性暗示了某种形式的平衡选择(图2)。
多态性的意义可能在于营养因素。达尔文雀的所有种类都是通过吃花粉、草或昆虫获得类胡萝卜素的，主要是鳞翅目幼虫，它们的父母喂养它们的雏鸟。仙人掌地雀是大达夫尼岛上黄色等位基因频率最高的物种，专门吃仙人掌中富含类胡萝卜素的花粉(图3A)。在13年中的9年里，黄色变种仙人掌地雀的第一年存活率高于粉色表型。带有黄色基因型的个体在1998年存活得非常糟糕，那一年厄尔尼诺(el Niño)的条件是雨水充沛，重复繁殖，但仙人掌的花果产量几乎为零。而在1991年，类似的厄尔尼诺年，除了仙人掌产量丰富，黄色基因型比粉色纯合G/G或杂合G/A个体存活得更好(图4A)。因此，在1999年的干旱中，黄色表型随着干旱导致的高死亡率和低仙人掌果实丰度的持续下降(图3C)。
虽然喙的颜色多态性可能是平衡的，但它不是固定和静态的。如前所述，仙人掌地雀偶尔与中地雀杂交，在40年的时间内没有明显的适应度损失。常染色体基因(等位基因)主要从中地雀传播到仙人掌地雀，其中包括BCO2等位基因，粉红色在中地雀中比在仙人掌地雀中更常见。作者利用176个纯合子个体的全基因组分析来评估粉色等位基因的渐渗。1995年之前的全基因组差异高于2008年之后，与以前的估计类似。在此期间，在仙人掌地雀群体中，p6166878附近(5 kb内)的四个诊断性中地雀等位基因的频率增加了8%-29%。这可能是因为中地雀衍生的粉色等位基因流入仙人掌地雀种群的结果（图3C）。
由于类胡萝卜素在维生素A代谢和色觉中起着至关重要的作用，改变BCO2的表达和类胡萝卜素的封存在高摄入量下可能在生化上是有利的，原因有三。首先，鸟嘴中的沉积可以避免循环中的胡萝卜素代谢分解产物的有毒积累，这样被隔离的胡萝卜素可以在稍后较低摄入量的时候代谢。例如，作者知道在其他鸟类中过量的胡萝卜素积累会损害肌肉功能。第二，黄色多态性可能会影响母体投资。在鸡中，黄皮肤等位基因纯合子的母亲比其他基因型的母亲在蛋黄中投入了更多的类胡萝卜素。与此一致的是，黄色基因型的母亲比杂合子个体更成功地孵化鸡蛋(97%对78%, 图4B）。第三，BCO2的表达减少和类胡萝卜素的积累可能会改变鸟类视网膜的光谱调谐，而BCO2是生物合成没食子黄质所必需的，没食子黄质是参与短波长视觉的一种关键的类胡萝卜素。
总结
作者在这里证明了单基因座变异(BCO2 )是达尔文雀鸟喙颜色多态的原因。与黄色表型相关的同义突变具有不确定的功能序列，但它使雀类基因组中频率最高的缬氨酸密码子变为最低丰度的缬氨酸密码子，并与BCO2表达降低有关。与表型多态性相关的序列变异的鉴定追溯到大约50万年前发生在加拉帕戈斯群岛的一个单一突变。这导致，除一个物种外，所有的后代物种都保留了该多态性。
原文链接：
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)01353-1
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