Science | 结构变异对昆虫适应性进化的关键作用

关键词

基因组结构变异、适应性进化、竹节虫、染色体易位、自然选择

摘要总结

这篇文章是 2025 年 4 月发表在《Science》杂志上的一篇研究，标题为 “Adaptation repeatedly uses complex structural genomic variation”。该研究通过分析竹节虫的基因组结构变异，探索了复杂基因组结构变异在适应性进化中的关键作用，这对于理解生物多样性的产生和进化具有重要意义。

研究背景

适应性进化使生物能够在其所处环境中生存和繁衍，进而可能导致新物种的形成，创造生物多样性。基因组中的结构变异，如染色体倒位、插入、缺失和易位等，已被证明在塑造进化过程中起着重要作用。然而，这些复杂结构元素的多样性及其在驱动重复适应性进化中的作用尚不清楚。竹节虫（Timema cristinae）是研究适应性进化的理想模型，因其存在两种颜色模式：条纹和绿色，分别适应于寄主植物 Adenostoma fasciculatum 和 Ceanothus spinosus，以躲避鸟类和蜥蜴等视觉捕食者。这种明确的捕食压力和适应性特征使该物种成为研究自然选择和基因组机制的经典案例。早期研究推测染色体倒位可能维持这些颜色形态，但本研究深入挖掘了更复杂的基因组结构变异，试图揭示其在适应性进化中的作用。

研究分析

研究聚焦于竹节虫 Timema cristinae，该昆虫无翅且以植物为食，在两种不同植物上表现出两种不同的颜色图案形态。研究者利用相位基因组组装技术，对来自加利福尼亚州圣巴巴拉附近两个不同山脉（Refugio 和 Highway 154）的每种形态的昆虫个体进行基因组分析。

研究结果

  1. 基因组比较分析 ：通过比较不同个体的基因组序列，研究者发现颜色图案的适应性分歧由结构变异引起，但并非简单的染色体倒位。他们在两个山脉的竹节虫群体中，发现了与颜色图案相关的易位和倒位的复杂结构变异。在 Refugio 山，发现与颜色图案相关的结构变异是一个约 4300 万个碱基对的染色体内部易位，该易位还发生了倒位；在 Highway 154 山，发现一个约 1500 万个碱基对的结构变异，同样涉及易位和倒位。

  2. 结构变异的反复出现 ：研究表明，这些结构变异在两个山脉中是独立起源的，代表了重复进化。尽管在不同山脉中的易位在大小和起源上存在差异，但它们部分重叠，包含一些相同的基因区域，包括与颜色图案相关的候选基因。

  3. 自然选择的作用 ：研究发现，这种结构变异在地理梯度上受到不同的选择作用，并且是在物种之间没有发生种间杂交的情况下产生的。通过分析 Refugio 山中竹节虫的颜色形态沿山脉的分布，研究者估计了自然选择对染色体易位的选择系数，结果表明选择作用非常强。

  4. 结构变异的广泛性 ：除了与颜色图案相关的结构变异外，研究还发现基因组中普遍存在其他结构变异。例如，在 Refugio 山的竹节虫基因组中发现了七个较大的染色体倒位，但在短读长序列数据分析中只有一部分能够被检测到。

文章的亮点和局限

亮点：

  1. 复杂变异的发现：研究揭示倒位易位而非简单倒位是拟步甲虫适应性进化的关键驱动力，挑战了传统假设。

  2. 进化的可重复性：不同种群独立演化出相似的结构变异，表明进化可能具有一定可预测性。

局限：

  1. 虽然发现了与颜色图案相关的结构变异和候选基因，但对于这些基因如何具体影响颜色图案形成的分子机制尚未完全阐明，需要后续的功能基因组学研究进行验证。

  2. 对于结构变异的起源和演化过程，如染色体易位和倒位的具体形成步骤和驱动因素，研究提供的信息有限，需要更深入的进化分析和实验研究。

公开数据

代码与GWAS摘要统计数据已公开：

posted @ 2025-04-18 22:10  橙子牛奶糖  阅读(124)  评论(0)    收藏  举报