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植物适应性进化研究获进展,科学家揭示基因数目减少在植物适应性进化中的重要作用

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“进化是否可以预测”是生物学中的一个基本科学问题。大量观察和研究表明,不同物种或者同一物种的不同群体,可以在一定条件下独立进化出相似的表型。这种现象称为“平行进化”。由于探究同样的表型变异是否由同一个或同一群基因控制,可以在一定程度获取进化可预测性(predictability)的信息。因此,关于平行进化遗传基础的研究得到许多科学家的关注。

一般认为,基因数目的增加,例如基因重复或者形成全新基因,对于生物生存繁衍具有重要意义。然而,基因数目减少同样也能产生重要的遗传变异,进而对生物的生存及繁衍产生积极的效果。这一事实在以往并未得到充分关注。而以“减少就是增加”(less
is
more)为代表的假说,则提出了基因的假基因化或丢失等基因数目减少事件与增加事件一样重要。但是,这一假说的科学证据有待发掘,特别是假基因化在生物进化中的实际作用及其意义仍不清楚。

中国科学院植物研究所郭亚龙研究组与中国科学技术大学教授赵忠、加拿大不列颠哥伦比亚大学博士Marco
Todesco、澳大利亚莫纳什大学教授Sureshkumar
Balasubramanian合作针对二倍体荠菜不同群体里早开花变异的遗传基础进行研究。研究人员发现,二倍体荠菜不同群体中的早花都是由同一个基因FLC调控的,两种导致早花的突变都位于该基因的同一区域,而且这两种突变是独立起源的。这一结果为回答“进化是否可以预测”提供了新证据。

中国科学院植物研究所郭亚龙研究组与中国科学院动物研究所研究员张勇、美国Salk研究所教授Wolfgang
Busch合作,利用拟南芥的群体基因组数据,运用群体遗传学及数量遗传学的方法,对“减少就是增加”假说进行了验证。研究人员发现,假基因化对表型变异非常关键,1%的假基因化变异在群体里受到正选择,表明假基因化与基因重复一样,与适应性进化密切相关。在1000多个全球分布的拟南芥自然品系的基因组中,有34%的基因没有发生假基因化突变,说明这些基因对于拟南芥在自然条件下生存繁衍是不可缺少的,也说明在自然界里基因组里的必需基因(essential
gene)的数目远远大于实验室里估计的必需基因数目。

该研究阐明了进化在一定程度具有可预测性,并且揭示了基因的特定区域可能属于变异热点,更易于发生突变来影响表型变异,为理解进化的可预测性这一基本的生物学问题提供了关键实证。

该研究在全基因组水平上系统性地研究了植物假基因化的进化规律及机制,表明基因功能缺失变异对植物进化非常重要。该研究证实了“减少就是增加”假说,证明基因数目的减少与增加一样都能对生物进化产生巨大的影响。研究成果表明,基因数目的增加与减少只是相对的,进化的核心是变异。

该成果于近日发表在国际学术期刊Plant Cell上。Plant
Cell
科学,同期发表专门评述,认为人类尽管无法重演生物进化过程,但该研究表明生物进化在一定程度上能够重复,表现出一定的可预测性。郭亚龙研究组助理研究员杨丽和博士后王慧娜为共同第一作者,郭亚龙为通讯作者。该研究得到基金委优秀青年科学基金、“微进化过程的多基因作用机制”重大研究计划及中科院“百人计划”支持。

该成果3月18日发表在国际学术期刊Plant
Cell上。郭亚龙研究组博士研究生徐永超为第一作者,郭亚龙为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项、中科院种子创新研究院和Salk研究所启动资金支持。

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假基因化与基因重复一样与适应性进化密切相关

关于进化是否可以预测的示意图

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