在相同的环境压力下，不同的物种既可表现出趋同特征，也可能呈现独特的适应策略。物种响应相同环境压力的适应路径与物种的进化历史及其环境建群时间高度相关。青藏高原平均海拔4500米，低氧严寒，堪称研究适应性进化的天然实验室。本研究选取了在此长期定居的高海拔土著种雪雀（白腰雪雀以及棕颈雪雀），以及约2600年前伴随人类农耕文明迁入青藏高原的树麻雀高海拔群体和低海拔群体，系统比较它们的心脏形态、微观结构和基因表达网络，揭示了两条截然不同的心血管适应策略及其调控机制。形态学分析发现，土著种雪雀的心脏并未出现肥大现象，但其心肌中密集发达的毛细血管网络，使其心血管密度显著地高于迁居种高海拔树麻雀以及低海拔树麻雀，从而显著提升了组织对氧气扩散效率。相反，迁居至高海拔的树麻雀则具有增加的相对心肌重量以及心肌细胞横截面积，有利于提高心脏的泵血能力，且毛细血管密度仅小幅提升。系统发育主成分分析显示土著雪雀与树麻雀迁居种在表型的矢量空间内显著分离，表明数百万年的进化历程对微观结构的优化作用，而相对短期环境建群则更依赖器官层面的“应急式”调整。

为探究其分子机制，研究团队整合了跨物种心脏转录组学、加权基因共表达网络（WGCNA）分析以及功能验证实验。通过与表型关联分析鉴定出于表型相关的948个关键基因。这些基因显著富集于与心脏功能相关的糖尿病心肌病以及胰岛素信号通路中（IR/IGF1R-PI3K-AKT），该信号通路中包含8个与心脏生长相关的基因。重点关注的AKT1与IRS2在土著种中的表达量显著低于迁居种，提示该通路的调控差异可能参与了调控心肌肥大的发生与否。在鸡胚原代心肌细胞系中，我们利用血管紧张素 II（Ang II）诱导了心肌细胞肥大模型，并以siRNA敲低AKT1或IRS2表达，结果成功抑制心肌细胞的肥大反应，证实了IR/IGF1R-PI3K-AKT通路在调控鸟类心肌肥大过程中的保守作用,推测土著种雪雀可能通过下调该通路内基因的表达避免心肌细胞肥大。此外，群体基因组选择扫描显示，AKT1基因上游2kb区域在迁居种高海拔树麻雀群体中呈现强烈的选择信号，同时IRS2基因在土著种雪雀中表现出显著选择信号，表明自然选择可能通过基因调控区域的遗传变异影响基因的表达，从而驱动不同心血管适应策略的形成。

该研究首次从进化历史与环境建群时间两个维度阐释了鸟类的高海拔适应策略。土著雪雀历经数百万年的积累，形成了“毛细血管精细化"策略，而近期迁入树麻雀则采用“心肌肥大应急式"调整。由于IR/IGF1R-PI3K-AKT通路在鸟类与哺乳动物间高度保守，并且在心肌肥大发生过程中发挥重要作用。这一发现不仅丰富了高原适应的分子图谱，也为低氧相关心血管疾病研究提供了新思路。基于不同进化历史的鸟类的心血管系统变化的趋同机制，将有助于揭示心血管系统在环境适应过程中的普适性规律。鸟类的低氧耐受机制也能为人类由缺氧导致的心血管疾病研究提供新的思路。

相关结果于近日发表于《Molecular Biology and Evolution》（She et al. 2025）。中国科学院动物研究所屈延华研究员以及孟凡伟副研究员为通讯作者，佘惠晌博士为第一作者。论文合作者还包括加拿大麦克马斯特大学Graham Scott 教授、动物研究所方昀高工以及赵庆硕科研助理。该研究得到了第三次新疆综合科学考察以及国家自然科学基金等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1093/molbev/msaf103

研究采用多学科整合方法，整合表型数据，基因共表达网络分析及功能实验，系统解析了青藏高原（QTP）两种土著种与近期迁居种的心血管适应机制。白腰雪雀（Onychostruthus taczanowskii，WR-snowfinch，深蓝色）与棕颈雪雀（Pyrgilauda ruficollis，RN-snowfinch，浅蓝色）为高原土著物种；而低海拔树麻雀（Passer montanus，L-tree sparrow，灰色）则伴随人类农耕文明向青藏高原的推进于约2600年前迁入高原（H-tree sparrow，绿色）。研究发现，两种土著种雪雀表现出高度相似的心血管表型与基因表达模式，与近期迁居种形成鲜明对比。功能实验证实，与心脏功能相关的调控通路中关键基因（AKT1和IRS2）的表达差异介导了心肌细胞肥大，解析了土著物种与迁居种间主要表型差异的分子机制。

图1. 土著种与迁居种心血管表型变化的比较研究框架