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基因在合作中的双重作用

2019-09-16 54粘菌阿米巴原虫

社会合作是进化生物学家最难解释的适应性之一,因为集体内部对资源的竞争应该导致进化特征的出现,使得个体能够“欺骗”集体,赢得更多的资源,并比更合作的邻居繁殖得更快——从而破坏社会集体。

在最新的研究中,莱斯大学和贝勒医学院的进化生物学家和遗传学家分离出了一种对抗竞争压力和稳定合作的基因机制。他们的研究发表在10月7日出版的《自然》杂志上。

基因在合作中的双重作用

基因多效性

利用最新的分子遗传学工具,研究人员发现这种现象被称为多效性——当一个基因影响多个遗传性状时,会发生什么?在防止“骗子”利用由盘基阿米巴原虫(amoeba dictyostostdiideum)组成的粘菌群落中的邻居方面发挥着至关重要的作用。

研究报告的撰写者之一、莱斯大学生态学和进化生物学教授Joan Strassmann说:“我们发现了一种阻止欺骗的分子机制,以及欺骗所依赖的遗传机制——将合作基因与生殖的基本功能紧密地联系在一起。”“这样一种机制会让作弊者付出昂贵的社会基因损失,我们相信这种多效性机制可能预示着一种普遍的机制,在许多物种中被用来稳定合作。”

基因在合作中的双重作用

Rice-Baylor实验

Rice-Baylor实验利用最非凡的微生物之间社会合作的例子:当粘菌阿米巴变形虫吃完细菌后,它们聚集在一起,然后形成一个子实体,在这个子实体中,大约五分之一的单细胞个体牺牲自己,形成支撑孢子的柄

在形成茎之前,菌落经过一个阶段,在这个阶段它形成鼻涕虫状的结构。在这一阶段,细胞产生一种叫做DIF-1的信号分子,使群体中的一些成员从群体中脱颖而出,进入茎前发育阶段。利用生物技术,研究小组创造了一株没有dimA基因的突变体盘基网柄菌,dimA基因编码一种关键蛋白,盘基网柄菌细胞利用这种蛋白识别DIF-1。

“我们想看看没有dimA的细胞是否可以通过忽略DIF-1来欺骗系统,从而增加它们成为孢子细胞而不是茎细胞的机会,”论文的合著者、莱斯大学生态学和进化生物学教授David Queller说。“我们创造的菌落中,突变体和野生型盘基网柄菌的比例约为50%。正如预期的那样,dimA敲除物(即骗子)倾向于移到蛞蝓的后部,也就是细胞在前孢子发育阶段占据的位置。”

但是,尽管在茎秆发育过程中具有这种优势,但与它们的原生对手相比,作弊者更不可能在茎秆顶部形成真正的孢子,这一发现让整个研究团队感到惊讶。

基因在合作中的双重作用

dimA突变体

研究人员进行了一系列测试,以确定dimA突变体是否具有一种意想不到的竞争劣势,从而扭曲了实验结果。其中一项测试涉及寻找仅在茎前细胞中表达的标记基因。利用这种标记基因,他们确定孢子中的许多细胞是野生型细胞,最初被标记为柄细胞。这些细胞经历了后期的发育逆转,并取代了最初以成为孢子为目标的dimA敲除细胞。

论文作者之一、贝勒医学院分子与人类遗传学副教授Gad Shaulsky说:“这项测试证实,dimA基因不仅对DIF-1的识别至关重要,对孢子的产生也至关重要。”“我们不知道第二个功能的确切生物分子途径,但我们知道dimA编码一种转录因子,它与细胞核中的DNA结合,控制基因表达。因为转录因子通常控制不止一个基因,我们认为dimA的缺失可能会干扰一种未知的识别途径,而这种途径对孢子的选择至关重要。”

引用

Rice University. "Biologists ID Molecular Block For Social 'Cheaters': Gene's Dual Role In Cooperation, Reproduction Provides Evolutionary Protection." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 October 2004.
www.sciencedaily.com/releases/2004/10/041007085415.htm.

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