远缘蝴蝶物种间的基因流动

2020-12-03 974基因相关

远缘蝴蝶物种间的基因流动。一个国际研究小组分析了20种蝴蝶的基因组,发现它们之间的基因流动量之大令人吃惊,甚至在远亲物种之间也是如此。发表在《科学》杂志上的这一发现挑战了人们对物种的传统看法,并指出杂交是生物多样性出现的一个关键过程。

远缘蝴蝶物种间的基因流动

不同种类的西番莲蝴蝶(Heliconius)具有相似的颜色图案,作为对捕食者的警告。科学家们此前发现,它们相似的原因之一是它们实际上共享了部分DNA,这要归功于它们祖先某个时期发生的杂交。新的发现表明,这种DNA共享的过程远比之前想象的要普遍。

为了了解蝴蝶是如何通过杂交将基因传递给其他物种的,这一过程被称为内侵,研究人员分析了20种Heliconius蝴蝶的新基因组组合。

"DNA共享已经在密切相关的物种中显示出来,但我们希望更深入地探究系统发育树,"高级作者James Mallet说,他是比较动物学博物馆的有机体和进化生物学驻校教授和种群遗传学副教授。"我们发现的东西真的很惊人:即使是在关系遥远的物种之间也存在内向性。"物种 "根本不是我们想象的那样,现在我们有数据可以证明这一点。蝴蝶的进化树是一个完整的相互联系的泥沼--蝴蝶基因组的每一点似乎都有一棵不同的树。"

主要作者Nate Edelman是Mallet小组的研究生,他解释说,新的基因组组合的功能是详细的基因组图。它们是通过对DNA的短片段进行测序,然后以适当的顺序进行组装来构建的。基因组组装是研究人员的重要资源,因为它们使基因回映射到基因组成为可能。

"制作基因组组装而不是简单的基因组 "重测序 "的酷炫之处在于,改变的不仅仅是DNA碱基--基因组的整个结构可以通过进化时间发生改变,"Edelman说。"而利用汇编,我们可以检测到这些变化。"

研究背景

当他们开始分析汇编时,团队发现有证据表明,一些基因能够在物种之间移动,而另一些基因则对这一过程更加抗拒。决定一个基因能否移动的关键因素之一是一个叫做 "重组 "的基本生物过程。

"在人类和大多数动物中,每个人都会继承两个基因组的副本,一个来自她的母亲,一个来自她的父亲,"Mallet解释说。"你与你的兄弟姐妹在基因上不同的原因是由于重组。你的父亲为你贡献了一份新拼接、重组的自己父母的基因组副本,你的母亲也是如此,她的父母的基因组也是如此。所以每个人身上来自父母的成分组合是不同的。"

如果目标是为后代产生多样化的基因型,重组被认为是有利的。这项研究中描述的重组系统表明,它也会在物种之间的基因流动过程中发生。根据作者的说法,这可以为适应性基因偶尔在物种之间以及物种内部传递提供一条可能的途径。

"看起来有用的基因似乎更有可能在物种之间转移,"哈佛大学的共同作者Michael Miyagi说。"这是真的,但基因组也有更多的普通结构问题,这意味着一些区域更有可能让基因来回传递。"

根据Edelman的说法,这些基因是否来回流动往往取决于这些不同区域的重组程度。

"在低重组区域,我们往往会看到比高重组区域更多的基因流动阻力,"他说。"我们认为发生的情况是,在非常高的重组区域中,抵抗性或不相容的基因与能够跨越物种边界流动的基因发生了分离。"

该团队能够确定一个关键基因,作为一个在物种之间流动的基因,它的作用是切换颜色模式。

研究内容

远缘蝴蝶物种间的基因流动,"Heliconius蝴蝶以其颜色模式而闻名。我们发现,在基因组的一个特定区域,有大约50万个碱基对相对于祖先序列被颠倒了,"Miyagi说。"而在那个倒置的中间,就是那个我们知道的控制颜色模式的基因。当你有这样的倒置时,就意味着你把里面所有的东西都保持在一起,所以它们不能重新组合。"

新的基因组组装还导致在不同的染色体上发现了一个新的、更大的倒位。

利用宫城开发的新分析方法,研究人员表明,其中一个倒位序列在物种之间转移。

"如果我们看任何特定的DNA块,每个都有特定的历史,"Miyagi解释说。"因此,我们开发的方法可以观察这些DNA的片段,并可以告诉我们哪些片段更有可能或更少地被引入。"

该研究得出的结论是,杂交是物种获得基因组的一种方式,可能是创造我们今天所看到的生命多样性的一个关键过程。

"在自然界中,任何个体都不太可能与另一个物种的成员交配,"马莱说。"但随着进化时间的推移,它确实发生了。它可能只发生在'最年轻'的物种群体中--那些正在快速进化的物种。大部分生命的多样性可能是在这些快速辐射中产生的。它们参与了诸如哺乳动物的起源等事件。在这些辐射过程中,我们在这里记录的杂交和内迁可能是洗牌变异和重新组合不同系的适应性的重要手段。"

研究意义

这项研究起源于Heliconius基因组联盟,该联盟于2009年成立,旨在通过对一种Heliconius蝴蝶物种的基因组进行测序,解决有关进化和适应的问题。新的研究已经提供了20个新的基因组组合。该研究的数据已在公共档案中免费提供。

"实验室之间的开放数据和共享对于理解进化,以及多样性的爆发是如何发生的是如此重要,"Mallet说。"在这个国际联盟中,我们每个人都带来了非常不同的优势,并帮助对方在整体上做了更好的科学工作,结果是我们的合作者以及其他任何人都可以在未来很好地使用的资源。"

引用

Harvard University. "Gene flow among distantly-related butterfly species." ScienceDaily. ScienceDaily, 1 November 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191101111603.htm.

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