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《细胞》:长得像,DNA相近,一定是近亲吗?

已有 790 次阅读 2022-4-21 09:08 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2022年4月20日晚23时,张国捷团队联合深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所、中国科学院动物研究所、哥本哈根大学等中外多个机构的研究人员,在《细胞》杂志发表论文,公布了对有袋类哺乳动物的物种辐射性大爆发过程的研究结果。


该结果重建了有袋类物种的演化关系,并揭示了物种快速分化过程中,一些随机事件有可能会导致远缘物种具有相似表型的现象,解释了利用形态和分子数据在构建物种树经常出现冲突的发生机制。


深圳华大生命科学研究院冯少鸿博士和中国科学院动物研究所白明研究员为论文共同第一作者,张国捷教授为论文通讯作者。


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早在19世纪,达尔文就在他的旷世著作《物种起源》中提出,现在地球上的所有物种最初都是从同一种原始生命演化而来,即共同祖先理论。由这个共同祖先不断分叉演化形成现在物种类群的历程即构成了生命之树,从简单的单细胞生物到复杂的生命体,每个物种都可以找到它的最近缘物种和最近共同祖先。重构正确的物种关系树是演化生物学研究和开展跨物种比较研究的基础,对于推理各种生物学现象的起源过程至关重要。


DNA是绝大多数生物的遗传蓝图,按照达尔文提出的物种演化模型,物种间DNA序列的差异可以反映出物种的分化历程,即DNA序列越相似的物种在生命之树上就更接近。同时,表型由DNA来决定,理论上携带相同表型的物种演化关系也就越接近。依据这样的推论,形态数据和DNA数据都可以用来构建物种树。但实际上,DNA数据与形态特征在推断物种演化历程上经常出现相互矛盾的结果。自上世纪80年代以来,利用DNA数据重构物种演化历程逐渐成为主流,但仍缺乏研究来解释为什么会存在这样的矛盾,为什么形态信息经常会得到不可靠的物种关系树。


分子树和与形态树的矛盾经常发生在经历过物种快速分化的类群里。不完全的谱系分流(incomplete lineage sorting)就是一种可以导致上述情况出现的原因。多个物种在极短的时间内从一个共同祖先里分化出来,使得某些祖先基因的多态性在随后的物种分化历程中被随机分流到分化出的不同物种里,从而使得部分分化后形成的多个物种随机保留了相同的基因型。


以人、黑猩猩和大猩猩为例。我们知道,相较于大猩猩,人与黑猩猩的亲缘关系更近。如图所示,三者共同祖先的群体具有较高的遗传多样性,大猩猩在第一次物种分化后形成,随着时间的推移,大猩猩的群体最终固定了蓝色的基因型。人和黑猩猩的共同祖先群体继承了橙色和蓝色两种基因型,然而在第二次物种分化的时候,人可能最终随机固定了和大猩猩一样的蓝色的基因型,黑猩猩最终随机固定了橙色的基因型。这样一来,我们就会观察到人的一些基因组序列跟大猩猩更相似,而跟黑猩猩差异更大。尽管黑猩猩是与人最近缘的物种,在人的基因组里约超过15%的基因组区域,是跟大猩猩更相似的。


这种不完全的谱系分流现象在许多经历过物种大爆发的类群里均出现过,比如各种哺乳动物类群、鸟类、昆虫、鱼类等,但这种现象对性状的演化是否存在影响一直没有研究。

 

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图:不完全的谱系分流示意图(每组两个圆点代表一个个体,每个圆点代表一个基因)(冯少鸿等绘)

 

为了研究不完全的谱系分流对物种形态和性状演化的影响,研究团队利用有袋类动物开展研究。之前的一些研究指出现存有袋类物种起源的过程经历了物种大爆发,导致了长期以来对有袋类物种早期演化关系存在争议。而这一争议主要围绕着南美有袋类微兽目(Microbiotheria)的演化地位。小山猴是该目唯一的现存物种,其作为南美洲的有袋类动物,却在骨骼、生殖器官和大脑结构等诸多方面与澳洲的有袋类动物更相似,尤其是袋鼠、考拉等双门齿目动物。正是由于这种形态的相似性,早前基于形态特征推定的演化关系认为小山猴应该和双门齿目的袋鼠和考拉更近缘,进而推测美洲小山猴应起源于澳洲。


然而,本研究利用小山猴和其他有袋类动物的全基因组数据,表明小山猴应该是澳洲所有有袋类动物的姐妹群,也就是它和是澳洲有袋类有共同祖先但不属于澳洲有袋类。进一步的分析揭示,有袋类基因组有超过50%区域构建出的分子树跟真实的物种分化过程不一致,即小山猴反而跟某些澳洲有袋类之间的相似度要大于澳洲有袋类之间的相似度。早前观察的那些与真实物种发生过程不符的性状特征很可能是由于物种快速分化的过程不完全的谱系分流导致的。


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图:小山猴是澳洲有袋类姐妹群,而非位于澳洲有袋类内部(冯少鸿等绘)


这些有冲突的基因组区域包含了上百个与神经系统、免疫系统、骨骼形态等相关的基因,它们可能与现今物种性状特征与物种发生历程之间的矛盾有关。研究推测,不完全的谱系分流所引发的祖先多态性的随机固定可能会偶然地导致两个亲缘关系较远的物种继承相同的祖先基因型,如果不同的祖先基因型会产生不同的形态特征,那么这样一来,就可能会导致远缘物种具有更加相似的表型。为了验证上述猜想,研究人员利用博物馆馆藏标本确定了小山猴的肱骨弯曲形态、脊柱棘突高度、门牙形态都是跟双门齿目的袋鼠和考拉更为相似。


随后,研究团队再利用比较基因组学分析手段筛选候选基因,采用基因编辑技术对受不完全的谱系分流影响的基因建立小鼠实验模型。通过实验小鼠和野生小鼠的骨骼性状扫描结果的比较,研究人员证实了受不完全的谱系分流影响的基因型替换确实产生了符合预期的表型结果。


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图:小山猴集体冬眠(Roberto F. Nespolo摄)


物种性状的演化被认为是物种长期适应环境的结果:突变产生新的基因与新的性状,新基因通过繁殖扩散开来,有利于生存与繁殖的性状及其基因会被自然选择保留下来。在远缘物种中出现相同的性状,过去往往会用趋同演化来解释这样现象。然而,这一研究则揭示不同类群间相同性状的出现也可能是随机遗传了祖先性状引起的。同时,这一研究还证明,仅依靠部分基因、部分性状的溯源来构建物种关系树是不可靠的,全基因组数据才是重构物种发生历程的金标准。


通过全基因组数据可以充分揭示,不完全的谱系分流可以作为一种可能的机制来解释基因组物种树和表型变异之间冲突的现象。此外,本研究还综合了古气候地理,物种分化、形态、DNA等多方面证据来佐证有袋类物种演化进程。


此外,近年来,测序技术的发展将基因组学研究带入了完美参考基因组的新时代。但本研究是基于二代测序技术的基因组完成的,这也提示我们不要过分追求新技术,而忽视了科学问题的重要性。

 

论文通讯作者张国捷教授近日以讲席教授身份加盟浙江大学医学院,组建生命演化研究中心。文章第一作者冯少鸿博士近日也以“百人计划”研究员身份入职浙江大学。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.03.034




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