近日,，國(guó)際雜志《自然》Nature報(bào)道,，科學(xué)家在棘魚(yú)這種“披盔戴甲”的小魚(yú)身上發(fā)現(xiàn)突變。這些突變可能有助于棘魚(yú)迅速進(jìn)化,，以適應(yīng)咸水和淡水這兩種不同的生存環(huán)境,。
自大約一萬(wàn)年前末次冰期結(jié)束后，生活在海洋中的三刺棘魚(yú)不斷地向世界各地的河流與湖泊拓殖,。只需十代——這對(duì)進(jìn)化而言簡(jiǎn)直是一眨眼的工夫——海洋棘魚(yú)就可以改變它們的盔甲和防御刺來(lái)適應(yīng)較為柔和的淡水,。
加州斯坦福大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家David Kingsley及其同事找到了區(qū)分世界不同地區(qū)海洋棘魚(yú)和淡水棘魚(yú)的DNA差異。盡管這種變異在各自獨(dú)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(guān)鍵DNA差異，研究人員對(duì)21種棘魚(yú)的全部基因組進(jìn)行了測(cè)序,。這些棘魚(yú)來(lái)自3個(gè)大洲的海洋和淡水水域,。研究結(jié)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(yú)與其最鄰近的海洋棘魚(yú)基因組最相似,。但是在大約150個(gè)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(zhǎng)以及腎鹽調(diào)節(jié)的基因,。
沒(méi)有參與此項(xiàng)研究的北卡羅來(lái)納州杜克大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Greg Wray說(shuō)：“這是影響有機(jī)體各個(gè)方面的一系列適應(yīng)，包括魚(yú)的形態(tài),、行為,、飲食以及交配偏好。”
Kingsley說(shuō),，整個(gè)世界范圍內(nèi)淡水棘魚(yú)種群的相似性表明,，它們的每次進(jìn)化都不是“從零開(kāi)始”。而一些生活在海洋中的棘魚(yú)可能保留了祖先適應(yīng)淡水的基因,，以便其拓殖新的領(lǐng)地,。雖然剛開(kāi)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(yīng)了淡水生活,。
“在整個(gè)基因組范圍內(nèi),，我們已經(jīng)找到了被反復(fù)利用以適應(yīng)新環(huán)境的一整套基因。” Kingsley說(shuō),，“我們能夠研究脊椎動(dòng)物進(jìn)化的分子基礎(chǔ),。”
棘魚(yú)的淡水適應(yīng)性之前已和基因組的廣闊區(qū)域相對(duì)應(yīng)，但只在少數(shù)幾個(gè)基因中發(fā)現(xiàn)了這種適應(yīng)性突變,。
研究人員就物種適應(yīng)新環(huán)境的突變類(lèi)型而爭(zhēng)論,。有些人強(qiáng)調(diào)調(diào)控的重要性——影響基因在何時(shí)何地表達(dá)的突變。也有人強(qiáng)調(diào)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(yīng)性大概有80%存在于負(fù)責(zé)調(diào)控的DNA,，剩下的20%則影響著負(fù)責(zé)編碼的DNA,。
調(diào)控變化能夠通過(guò)遺傳突變控制基因在多個(gè)組織中的表達(dá)來(lái)加速棘魚(yú)對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)。研究也表明棘魚(yú)是通過(guò)利用已有的遺傳變異來(lái)加速進(jìn)化的,，而不是坐等隨機(jī)新發(fā)生的突變,，Wray 解釋道。
“我認(rèn)為這篇文章真的非常棒,，我被他們的數(shù)據(jù)說(shuō)服了,。”馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Hopi Hoekstra說(shuō)。然而,，她補(bǔ)充道：“對(duì)于基因組比較簡(jiǎn)單或者適應(yīng)比較緩慢的生物而言,，從編碼突變或調(diào)控突變所占的比例來(lái)看，情況就可能大不相同了,。”
Wray認(rèn)為,，同樣的方法能夠應(yīng)用在相似的環(huán)境條件改變下進(jìn)化了許多次的其他生物研究中。比如小鼠,，已經(jīng)進(jìn)化出適應(yīng)世界各地沙漠,、林地、草原的不同毛色,。“我猜我們將會(huì)看到一系列文章,。”他說(shuō)。（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.
