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新的进化研究揭示了大规模的基因组转变

em通过将基因组测序和分析的最新工具应用于20世纪90年代在Notre Dame进行的实验中保存的证据,一项新的进化研究发现一代人发生了巨大的基因组转变。 / em

来自赖斯大学,圣母大学和其他三所学校的生物学家组成的团队发现,1850年代开始困扰美国苹果种植者的一种农业害虫可能是在经历了一代人广泛的全基因组变化之后发生的。

这个新的结果在本周出现在生态信件中,它来自将基因组测序和分析的最新工具应用于20世纪90年代在巴黎圣母院进行的实验的保存证据。这项研究的重点是果蝇Rhagoletis pomonella,又名“苹果蛆”,是一种北美土着,在山楂树的果实内放置其蛋。在19世纪50年代,一群分裂的Rhagoletis开始在纽约州北部的苹果产卵,这一举措要求苍蝇适应每年产蛋周期的时间以适应新主机的结实时间。

“今天,在美国有两种形式的Rhagoletis pomonella,它们的生命周期与山楂树相同,祖先的形态与苹果树相同,约3-4周前结果,”研究负责人作者斯科特·伊根,莱斯生物科学系的进化生物学家。 “这两种形式已经发展出非常明显的差异,并且正在发展成两个新物种,并且由于它们每年有一代人,我们知道两者之间的所有差异发生在不超过170代。 ”

这两个种群也被称为杂交。在给定的一年中,大约百分之五的人口在流动。对于专门研究物种形成过程的伊根和其他生物学家来说,不同人群之间持续的“基因流”引发了关于是否以及如何最终演变成两种物种的重要问题。

“根据理论,这种基因流量应该足以抵消推动人口分化的不同选择过程,”Egan说。 “然而,如果自然选择很强,选择的影响是全基因组的,那么即使面对这种持续不断的基因流,这两者也可能会发生分歧。”

为了了解这两个种群在遗传上的差异有多快,来自英国谢菲尔德大学,Notre Dame的Egan及其同事,佛罗里达大学和堪萨斯州立大学进行了最广泛的R. pomonella遗传分析。

借助刑事取证的一页,该团队将自1990年代中期以来在Notre Dame生物学家Jeffrey Feder实验室保存在冰箱中的实验样本应用了最新的基因组学研究工具。在最初的实验时,遗传技术只允许Feder和同事研究整个基因组中的一些变化。

“我们从本地的山楂树上采集苍蝇,将苍蝇分成两组,并在实验室中的苍蝇和苹果样条件下饲养苍蝇,”费德说。通过在两种条件下提高祖先人口,费德和同事们实验性地复制了19世纪50年代在纽约观察到的主人转变。

2012年,Egan和他的同事对来自早期实验室实验的个体的一部分基因组进行了测序,并测量了在haw-与苹果样条件下培养的个体之间的差异。该团队编制了超过50亿个核苷酸碱基对的数据库,以检查所有人群之间的遗传差异。特别感兴趣的是整个基因组中的DNA序列在一个位点上不同于一个群体的位点。物种内的这种类型的遗传变异称为多态性,“单核苷酸多态性”或SNPs是多态性变异的最小单位。

Egan说:“对于在苹果周期中已经养育了一代的祖先苍蝇,我们记录了超过32,000个SNP的变化。 “总体而言,我们发现第一代遗传变化占自20世纪50年代以来两个人群之间发生的所有遗传变化的70%。”

堪萨斯州立大学的Greg Ragland是该研究的联合主要作者,他说:“在实验和自然种群中观察到的R. pomonella变化强调了分歧早期生态选择的重要性,并呼吁进一步整合物种形成研究和基因组分歧“。

例如,当研究小组将“选择实验”的遗传变化与自然界中苹果和山楂种群之间的全基因组差异进行比较时,他们发现了惊人的相似之处。具体而言,32,000个SNPs的方向和大小与观察到的自然界祖先和不同种群之间的差异相似。

“通过结合来自实验和自然种群的基因组数据,我们能够量化选择的全基因组范围影响,”Feder说。

他说这种效应在整个疱疹病毒基因组范围内广泛存在,因为除了直接影响重要性状基础的基因之外,还有间接影响,其中一个基因的变化促使其他地方发生变化,称为“连锁不平衡”。

伊根说,之前关于R. pomonella的研究提供了关于为什么遗传变化如此广泛的其他线索。例如,在宿主植物之间选择的性状涉及许多基因。另外,R. pomonella具有高水平的群体内遗传变异,其选择容易起作用。最后,R. pomonella更容易受到不同自然选择的影响,因为它的基因组含有多个“反转区”,DNA序列以相反的顺序被破坏和重新排列,这增加了连锁不平衡和选择的总影响。

这项研究得到了莱斯大学赫胥黎生态学和进化生物学教授团队和圣母大学先进诊断和治疗学以及环境变化倡议的资助。研究合着者包括所有Notre Dame的Lauren Assour,Glen Hood和Scott Emrich;佛罗里达大学的Thomas Powell;和谢菲尔德大学的Patrik Nosil。

出版物:Scott P. Egan等人,“在物种形成与基因流的早期阶段对生态选择的全基因组影响的实验证据”,Ecology Letters,2015; DOI:10.1111 / ele.12460

来源:莱德大学Jade Boyd

图片:Hannes Schuler; S. Egan /莱斯大学