宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究表明，青蛙在进化过程中保持了令人惊讶的感光蛋白多样性。感光蛋白称为视蛋白，它使有视力的动物能够看到东西，并负责调节昼夜节律等许多其他生物功能。研究人员探索了青蛙非视觉视蛋白的进化，发现本研究中检查的大多数现代物种都保留了数量惊人的此类蛋白质。

该研究结果发表在《分子生物学与进化》杂志六月刊上 。

“当我们思考感觉生物学时，视觉往往主导我们对光感知的理解，”宾夕法尼亚州立大学生物系博士生、论文第一作者杰克·博耶特 (Jack Boyette) 说道。“但非视觉光敏感性具有无数其他生物学上至关重要的功能，如昼夜节律校准、褪黑激素释放、瞳孔反应以及对季节变化的检测和反应。这些功能都是由非视觉视蛋白启动的。”

非视觉视蛋白在动物界中普遍存在，在眼内外的多种组织中表达。尽管它们具有广泛的重要性，但研究人员表示，这些非视觉视蛋白的研究相对较少。研究人员表示，青蛙为在不同生态条件下研究这些蛋白质提供了机会。

“青蛙很酷，因为不同种类的青蛙可以生活在水中、陆地上、树上甚至地下，”博伊特说。“活动周期等因素使情况变得更加复杂——许多青蛙物种在夜间活动，但有些在白天活动。你可以想象，所有这些不同的栖息地都有非常不同的光环境，这对感觉系统的进化和功能有影响。”

为了研究青蛙视蛋白多样性的进化，研究人员将 81 种青蛙眼睛的转录组(器官中表达的所有基因的基因序列)的遗传数据与另外 21 种青蛙的公开基因组和多组织转录组数据相结合。这 102 种青蛙提供了具有不同生态适应性的青蛙的广泛样本。

“四足动物(包括哺乳动物、两栖动物和爬行动物)的共同祖先可能有 18 种视蛋白基因，而包括哺乳动物和蛇在内的几个群体在进化过程中已经失去了许多视蛋白基因，”博伊特说。“研究人员推测，这些群体在进化过程中经历了夜间活动瓶颈，他们过渡到夜间生活方式，基本上失去了对广谱敏感性的需求，而广谱敏感性是非视觉视蛋白所赋予的。”

青蛙也是祖先夜行动物，因此研究人员预计青蛙的非视觉视蛋白多样性会降低。值得注意的是，本研究评估的青蛙基因组包含所有 18 种祖先脊椎动物非视觉视蛋白和 5 种祖先视觉视蛋白中的 4 种。Boyette 表示，这一令人惊讶的发现可能是由于复杂的生活史造成的。

“在单个动物的一生中，许多青蛙物种会在截然不同的光照环境中过渡，”博伊特说。“尽管许多成年青蛙是夜行动物，但幼虫蝌蚪不一定如此。因此，我们可以在生命阶段之间实现自适应解耦，成年青蛙可能不依赖于一组非视觉视蛋白赋予的广泛光谱敏感性，但幼虫可能依赖于它们。这意味着这些青蛙要想生存，就需要保持这种非视觉视蛋白多样性。”

在基因组中鉴定出的 18 种非视觉视蛋白中，研究人员发现其中 14 种在青蛙眼中持续表达。在非视觉视蛋白的一个子集中，他们还发现了一种称为正向选择的自然选择的证据，在这种选择中，新的有利遗传变异会受到青睐。选择的最强特征是一种称为 pinopsin 的基因，这种视蛋白被认为对几种动物的弱光感光很重要。

此外，研究人员还发现了生态和生活史不同的群体之间的视蛋白遗传差异。博伊特说，这可能表明青蛙的非视觉视蛋白已经适应了特定的生活方式或环境。

博伊特表示，他希望这项研究能够为未来在实验环境中测试非视觉视蛋白基因的明确功能的研究提供参考。

“尽管非视觉视蛋白存在于包括人类在内的多种动物中，但人们对它们的了解甚少，”博伊特说。“这项研究填补了我们对视蛋白在脊椎动物中如何进化的理解的一个重要空白。”

研究团队的其他成员包括约克大学资深作者 Ryan K Schott、加州科学院和史密森尼学会国家自然历史博物馆的 Rayna C Bell、德克萨斯大学阿灵顿分校的 Matthew K Fujita 和 Kate N Thomas、伦敦自然历史博物馆的 Jeffrey W Stretcher 和 David J Gower。

自然环境研究委员会、美国国家科学基金会和加拿大自然科学与工程研究委员会支持了这项研究。