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样本针分析地理隔离并非物种分化所必需

样本针分析地理隔离并非物种分化所必需

  样本针分析地理隔离并非物种分化所必需,《Nature》杂志的一项最新研究表明,大量基因块——即插即用的遗传方式——可能在进化适应中扮演着更大的角色。

  生物学家在野生向日葵种群中鉴定出37种 “超基因”,发现它们控制着对适应当地生境很重要的一系列性状的模块化转移。包括种子大小、开花时间,以及抵御环境压力的能力,如干旱或有限的养分供应等。

  “大家非常惊讶,”不列颠哥伦比亚大学(UBC)遗传学家Marco Todesco说。“个别超基因控制适应性特征的案例以前也有报道,但目前还不清楚它们是规则还是少数奇怪的例外。研究发现,超基因在适应过程中有着广泛的作用,而且可能是非常巨大的。”

  研究中发现的最大的超基因由超过1亿个碱基对(比许多人类染色体都大)和1819个基因组成。

  这项研究有助于解决达尔文的自然选择理论尚未解答的一个问题,即生活在一起并相互交配的生物群体如何仍然能够适应独特的特性并分化成不同的物种。

  “最初,进化生物学家认为,种群间的地理隔离是它们分化为生态种族或独立物种所必需的,”UBC进化生物学家Loren Rieseberg说。“但最近的研究表明,并肩生存的种群能够而且确实能够分化。”

  “控制这种分化的性状通常作为超基因一起遗传,尽管与附近的不适应群体进行了基因交换。在许多情况下,植物能够通过从已经适应的相关物种中借用一两个超基因来适应新的环境。”

  例如,在墨西哥湾沿岸平原和海岸沙丘都生长向日葵,后者必需适应德克萨斯屏障岛,一个3000万碱基对长的超基因控制了这些向日葵长达两个半月以上的开花时间差异,在屏障岛种群中发现的这种超基因的早期开花版本最初来自普通向日葵。

  在某些情况下,超基因的供体物种可能会灭绝。“大家认为可能发生的是,一个物种来到一个新的栖息地,窃取本地相关物种的适应性超基因,然后取代该物种,”Todesco说。“大家可以称之为‘幽灵的超基因’,你能看见一种已经不复存在的物种的挥之不去的贡献。”

  由于它们的多样性和适应恶劣环境的能力,野生向日葵已经成为进化研究的模式系统。

  研究人员对三种野生向日葵超过1500多株植物的基因组进行了测序:普通向日葵(Helianthus annuus)、草原向日葵(Helianthus petiolaris)、银叶向日葵(Helianthus argophyllu)。

  然后,他们研究了遗传变异与80多种性状之间的关系,这些性状是在植物生长过程中所监测到的,同时也观察了它们与原产地土壤和气候的关系。这一结果是迄今为止规模最大、最全面的证明,结构变异——染色体结构的重排,特别是大规模地创建了在适应和物种形成中起着基础性和广泛作用的超基因。

  除了超基因外,这项研究还发现了许多独立的基因,这些基因似乎能抵抗野生向日葵所面临的环境压力,包括干旱、高温和低营养胁迫。这些独立的基因对于向日葵育种家来说是无价的,因为培育出的品种能够承受未来气候变化下预测的更极端的生长条件。从农业角度来看,它们比超级基因更具灵活性。

  Todesco说:“因为它们是一个整体,在栽培的向日葵中引入一个超基因,就意味着既继承了与之相关的有益和有害的性状。虽然超基因包含一些在农业环境中可能有益的基因,但它们也包含数百个其他基因,其中一些可能对作物没有那么大的益处。例如,降低产量或改变种子含油量。”

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