短短四个月,基因组60%变了!实验显示果蝇惊人的演化速度

  说到生物演化,很多人印象中这是一个缓慢、渐进的过程,可能需要以成千上百年为时间尺度才能理解生物如何通过遗传变异适应环境的变化。然而,顶尖学术期刊《科学》刚刚发表的一篇论文,也许会改变你对演化时间尺度的想法。

  在这项新研究中,美国宾夕法尼亚大学的研究人员通过一项巧妙设计的田间实验,追踪果蝇在自然环境条件变化过程中发生的变化,观察到了令人惊奇的适应速度:在短短四个月的实验过程中,研究人员就在果蝇基因组中超过60%的地方记录到了变异!

  果蝇的寿命通常为两三个月,寿命短、繁殖快的优势正是它们成为生物科学家“实验宠儿”的重要原因。即便如此,它们的演化速度到底有多快,以前没有人直接观察到过。用这项研究的共同通讯作者、生物学教授Paul Schmidt的话说,要建立一个新的范式,直接观察动物种群如何持续地适应环境条件的快速变化,按过去对演化时间尺度的认知,是很难测出来的。

  然而Schmidt教授和同事们观察果园中的果蝇时,注意到生长季节伊始出现的果蝇,与丰收季节密集出现的果蝇,在压力耐受性、生殖适应性甚至色素沉着等方面有很大不同。这一现象提示,这些动物种群随季节变化产生的适应性或许速度超出人们原来的想象。

  不过要确认这一点,需要严格地控制研究条件。于是,他们在果园中搭建起实验大棚,在现实生活环境条件下(刮风下雨、寒冷、炎热等)研究果蝇。

  一开始,他们往十个大棚里各投放了1000只果蝇,除了提供相同的食物外,其余任果蝇自我发展。它们在里面飞快繁殖,高峰期每个大棚里的种群数量可达10万只

  ▲研究人员在果园设立的实验棚可以防止果蝇自由进出(图片来源:参考资料[2];Credit:Eric Sucar/University of Pennsylvania)

  此后的每个月,研究人员从每个大棚里采集一些果蝇个体和数千枚虫卵,分析六种代表适应性的身体特征,包括繁殖成功率、发育速度、耐寒性、耐旱性等,这些特征在过去很多研究中已经知道受多个基因控制。同时,研究人员还会每个月从每个大棚里随机选择100只果蝇,通过基因组测序,高度准确地知道基因组中不同位置上等位基因频率随着时间推移发生的变化。

  春去秋来,整个实验过程大约覆盖了10代果蝇。研究人员收集并分析的身体特征和基因组数据给出了清晰的证据:果蝇一直在演化,以适应不断变化的自然环境,而且演化速度比以往任何人测量的都要快。

  适应幅度出乎意料的大,超过60%的基因组在发生直接或间接的变化!研究人员解释,这不是说进化选择作用在大半部分的基因组上,而是在“遗传牵连效应”(genetic draft)过程中一部分DNA发生变化“牵连”了另一部分DNA。

  本研究发现的另一个有趣之处是,适应的方向多次发生变化,随着环境条件的变化像钟摆一样来回摆动。“你会看到一个特征可能在几周内朝这个方向演化,然后在下个月反转方向,这是非常令人惊讶的,”研究论文的第一作者Seth Rudman博士指出,“这描绘了一幅真正的动态适应和选择图景。自然选择的方向在变,目标也在变,而且变化非常迅速。”

  而这种波动,研究人员认为可能是导致过去的研究低估适应速度的一个原因,因为一旦时间拉长进行测量,可能回到了原点,看似没有发生变化。

  “我们看到种群能够迅速响应环境条件的变化,”Schmidt教授补充,“而且这种变化不是针对某个选择性的条件(比如干旱),而是种群在整个实验过程中不断演化和改变。” 

  尽管果蝇的寿命比人类短得多,繁殖速度比人类快得多,但研究人员表示,这一发现对于我们理解和测量人类适应环境变化的演化速度同样提供了重要的洞见。“我认为这样的过程在许多不同的物种中发生,只是更难在适当的时间尺度上测量,”Schmidt教授说。“对于果蝇来说,适应的压力可能随着季节而来,对于人类来说,则可能是气候变化、农业、以牛奶作为食物来源,等等。这可能是普遍现象。” 

  参考资料:

  [1] Seth Rudman et al。, (2022) Direct observation of adaptive tracking on ecological time scales in Drosophila。 Science Doi: 10.1126/science.abj7484

  [2] Rapid adaptation in fruit flies。 Retrieved Mar。 17, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/946202

  本文来自药明康德

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