近日，國際雜志《自然》Nature報道,，科學家在棘魚這種“披盔戴甲”的小魚身上發(fā)現(xiàn)突變,。這些突變可能有助于棘魚迅速進化，以適應咸水和淡水這兩種不同的生存環(huán)境,。
自大約一萬年前末次冰期結束后,，生活在海洋中的三刺棘魚不斷地向世界各地的河流與湖泊拓殖。只需十代——這對進化而言簡直是一眨眼的工夫——海洋棘魚就可以改變它們的盔甲和防御刺來適應較為柔和的淡水,。
加州斯坦福大學進化生物學家David Kingsley及其同事找到了區(qū)分世界不同地區(qū)海洋棘魚和淡水棘魚的DNA差異,。盡管這種變異在各自獨立的不同地區(qū)發(fā)生，但每次變異似乎都涉及到許多相同的遺傳突變,。
為了找到關鍵DNA差異,，研究人員對21種棘魚的全部基因組進行了測序。這些棘魚來自3個大洲的海洋和淡水水域,。研究結果刊登在4月4日出版的《自然》雜志上,。
研究人員發(fā)現(xiàn)，淡水棘魚與其最鄰近的海洋棘魚基因組最相似,。但是在大約150個DNA序列上,，淡水種群和咸水種群分別和與之處于相同環(huán)境中的種群更為相似。這些序列包括影響盔甲生長以及腎鹽調節(jié)的基因,。
沒有參與此項研究的北卡羅來納州杜克大學進化生物學家Greg Wray說：“這是影響有機體各個方面的一系列適應,，包括魚的形態(tài)、行為,、飲食以及交配偏好,。”
Kingsley說，整個世界范圍內淡水棘魚種群的相似性表明,，它們的每次進化都不是“從零開始”,。而一些生活在海洋中的棘魚可能保留了祖先適應淡水的基因，以便其拓殖新的領地,。雖然剛開始的幾代表現(xiàn)出混合型或中間型特征,，但最終這些基因使得它們適應了淡水生活,。
“在整個基因組范圍內，我們已經(jīng)找到了被反復利用以適應新環(huán)境的一整套基因,。” Kingsley說,，“我們能夠研究脊椎動物進化的分子基礎。”
棘魚的淡水適應性之前已和基因組的廣闊區(qū)域相對應,，但只在少數(shù)幾個基因中發(fā)現(xiàn)了這種適應性突變,。
研究人員就物種適應新環(huán)境的突變類型而爭論。有些人強調調控的重要性——影響基因在何時何地表達的突變,。也有人強調基因編碼突變的重要性——這種突變可改變基因產(chǎn)生的蛋白,。
Kingsley的研究組發(fā)現(xiàn)淡水適應性大概有80%存在于負責調控的DNA，剩下的20%則影響著負責編碼的DNA,。
調控變化能夠通過遺傳突變控制基因在多個組織中的表達來加速棘魚對新環(huán)境的適應,。研究也表明棘魚是通過利用已有的遺傳變異來加速進化的，而不是坐等隨機新發(fā)生的突變,，Wray 解釋道,。
“我認為這篇文章真的非常棒，我被他們的數(shù)據(jù)說服了,。”馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學進化生物學家Hopi Hoekstra說。然而,，她補充道：“對于基因組比較簡單或者適應比較緩慢的生物而言,，從編碼突變或調控突變所占的比例來看，情況就可能大不相同了,。”
Wray認為,，同樣的方法能夠應用在相似的環(huán)境條件改變下進化了許多次的其他生物研究中。比如小鼠,，已經(jīng)進化出適應世界各地沙漠,、林地、草原的不同毛色,。“我猜我們將會看到一系列文章,。”他說。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature10944
PMC:
PMID:
The genomic basis of adaptive evolution in threespine sticklebacks
Felicity C. Jones, Manfred G. Grabherr, Yingguang Frank Chan, Pamela Russell, Evan Mauceli, Jeremy Johnson, Ross Swofford, Mono Pirun, Michael C. Zody, Simon White, Ewan Birney, Stephen Searle, Jeremy Schmutz, Jane Grimwood, Mark C. Dickson, Richard M. Myers, Craig T. Miller, Brian R. Summers, Anne K. Knecht, Shannon D. Brady, Haili Zhang, Alex A. Pollen, Timothy Howes, Chris Amemiya, Broad Institute Genome Sequencing Platform & Whole Genome Assembly Team et al.
Marine stickleback fish have colonized and adapted to thousands of streams and lakes formed since the last ice age, providing an exceptional opportunity to characterize genomic mechanisms underlying repeated ecological adaptation in nature. Here we develop a high-quality reference genome assembly for threespine sticklebacks. By sequencing the genomes of twenty additional individuals from a global set of marine and freshwater populations, we identify a genome-wide set of loci that are consistently associated with marine–freshwater divergence. Our results indicate that reuse of globally shared standing genetic variation, including chromosomal inversions, has an important role in repeated evolution of distinct marine and freshwater sticklebacks, and in the maintenance of divergent ecotypes during early stages of reproductive isolation. Both coding and regulatory changes occur in the set of loci underlying marine–freshwater evolution, but regulatory changes appear to predominate in this well known example of repeated adaptive evolution in nature.
