春种秋收。在秋天，从自然界中能获得的食物资源十分丰富，有些鸟儿吧唧吧唧埋头干饭，而有些鸟儿已经开始未雨绸缪，为顺利过冬储藏大量粮食。北美白眉山雀（Poecile gambeli）就属于后者，在食物充足的时候，它们将成千上万的食物分散藏匿在活动范围内特定的位置，当食物短缺的时候，它们就可以取食这些隐藏的食物，度过严酷的冬天（图1）。
食物储备对这些鸟类越冬生存十分重要，那它们是如何有效地找到自己分散囤积的食物呢？这需要依靠专门的空间学习和记忆能力，而这种认知能力直接影响到它们的终身健康和冬季存活几率。
在恶劣环境中生活的鸟类更依赖于食物储藏过冬，它们表现出更好的空间学习和记忆能力。例如，与低纬度和低海拔的山雀相比，栖息在高纬度的黑顶山雀（P. atricapillus）和高海拔的北美白眉山雀更依赖储藏的食物，它们拥有更大的海马体和更多的海马神经元，这是与空间认知能力密切相关的大脑区域。
这种空间认知的差异对适合度有直接影响，并具有遗传基础。出于自然选择，空间认知能力更强的个体更有可能在冬天存活并繁衍后代，而空间认知能力较差的个体逐渐被淘汰，不幸离场（详情可见往期内容：自然选择之手 | 鸟类的空间认知能力为何有个体差异？）。然而，目前并不清楚哪些特定基因和发育途径对塑造空间认知十分重要。为了进一步解析空间认知能力的遗传基础，Georgy A. Semenov研究团队结合了野生北美白眉山雀空间认知实验与162个个体全基因组测序对该问题进行解答，该研究成果以“Genes and gene networks underlying spatial cognition in food-caching chickadees”为题于近期发表于Current Biology上。
图1 北美白眉山雀秋季囤粮，冬季取粮场景
调控空间认知能力的基因
研究通过基因组关联分析（GWAS），在97个与空间学习和记忆能力相关的基因发现强烈信号，这些基因与神经系统的发育和功能以及各种神经系统疾病有着广泛的联系（图2）。
与空间认知能力相关的部分候选基因被组织成相互连接的基因网络，但超过一半的基因并没有共同调控（图3），这表明多种独立的发育或生理机制有助于空间认知能力的灵活变化。
部分候选基因与突触可塑性（synaptic plasticity，突触根据感知到的刺激变化随时间改变其强度的能力）有关，这可能是某些变异在行为可塑性和长期记忆之间产生一种拮抗作用。与北美白眉山雀中低效空间记忆表型相关的突变可能与观察到的记忆与行为灵活性之间的权衡有关。
图2 通过Ingenuity Pathway Analysis（IPA，一种生物信息学分析工具）发现GWAS中识别出的显著基因与神经系统发育、功能和疾病相关的更高层次功能和表型之间的联系（注：这只是上述类别的一个子集，展示97个基因中的36个基因）
图3 IPA结果显示了GWAS揭露的基因之间直接（实线）或间接（虚线）对基因表达的影响。箭头指示了已知的作用方向。粗体字标识了唯一一个基因（CNTNAP5），在该基因的蛋白质编码区域内发现了与之相关的SNP，并导致了非同义氨基酸替代。椭圆形轮廓标识了与突触可塑性相关的基因。每个基因的颜色按基因型和表型之间的r²值（相关性强度）进行填充
大脑神经功能与空间认知能力
超过一半显著过度表达的典型通路与大脑中的神经功能有联系（图4）。其中最显著的过度表达途径是Rho家族GTP酶传递的信号，其在神经元发育、存活和退化中起关键作用，并参与树突分枝和轴突调控等。值得注意的是，这呼应了之前对山雀海马体形态、神经元数量、神经形成与空间认知能力之间关系的研究。在空间认知表现较差的个体中，与认知表型相关性特别强的基因显示为纯合稀有等位基因（图5），这表明影响基因表达的弱有害突变导致了山雀空间认知能力的差异。
图4 在GWAS鉴定和IPA数据库中发现的95个基因集中显著过度表达的典型通路 (p < 0.05)。橙色填充的矩形是连接神经功能的通路
图5 受选择的SNP位点的基因型和表型之间的关系。Y轴表示每次实验中错误的次数。RH、HZ和AH分别对应参考纯合子、杂合子和替代纯合子。CNTNAP5—在此研究的样本中，唯一一个具有非同义SNP的基因，在这个基因中没有发现替代纯合子。RIGI/DDX58、AKAP/CYP51A3、SP3和IGF1R—在发育过程中具有高上游调控位置的基因，并且是IPA揭示的大型互作网络的核心。NOS1—基因型和表型之间具有高r²值的基因，并且在实验中显示会导致小鼠的异常行为和与行为灵活性有关。其他结果图显示了基因型和表型之间r²值最高的基因。一些表现最差的个体的基因型在上述几个位点中发现了替代纯合子。线条和灰色阴影分别表示线性回归及其95%置信区间
性别会影响空间认知能力吗？
多个山雀种群在对食物储藏的空间学习和记忆能力或海马体形态方面没有性别差异。这种差异的缺乏很可能是因为在食物储藏方面，雄性和雌性均具有较强的对空间认知能力的依赖性，导致了认知能力背后相同遗传机制的进化。
总结
具有食物储存行为的物种依赖记忆来获取食物，这一行为特征具有一定的复杂性和灵活性。该研究结合行为和基因组数据表明了与认知能力相关的遗传基础，并支持了认知灵活性背后的假设机制：在更严酷的冬季环境，更好的空间学习和记忆能力对生存更重要。相比之下，在较为温和的环境中，提高认知灵活性可能更有利，因为该环境可能随机性更大，需要鸟类擅长应对不断变化的信息来源。未来的工作还需进一步验证该假设。
参考文献：https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.03.058
作者
陈青，博士一年级，研究方向为鸟类的保护遗传学，对物种的适应性进化领域感兴趣
排版：陈青
审核：何希敏、吴越
