共生动植物基因快速进化
来源: 中国科学报 发布时间: 2016-08-30 访问次数:
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这些蚂蚁和共生植物的基因需要快速进化以适应彼此。图片来源:The Field Museum

  众所周知,人类以及我们的抗生素正在与导致人体疾病的细菌进行着一场进化军备竞赛。随着人体建立起一道防御工事,细菌也会加以改进以躲避这些防御,进而对人体或我们的药物展开新一轮的攻击。

  但是那些与我们友好的联盟又会怎样呢?例如通常寄居于人类消化道和其他组织中、帮助人体消化食物以及避免其他传染病的有益细菌。

  研究人员之前认为,一旦这种互惠共生关系建立后,双方在基因方面都将保持一种稳定的状态——它们不再需要继续进化以匹配对方。

  10年前,上述想法被称为红王假设。然而在蚂蚁中进行的一项新的研究显示,即使是已知的伙伴,在互惠互利的合作中也会迅速发展基因组,这显然是为了保持这种伙伴关系的完整无缺。

  为了搞清友好的伙伴关系进化得有多快,美国伊利诺伊州芝加哥市菲尔德自然历史博物馆进化生物学家Corrie Moreau与她的研究生Benjamin Rubin对7种蚂蚁的基因组进行了测序。其中有3种蚂蚁分别只与1种植物交朋友——金合欢树、日本虎杖,或一种被称为Tachigali的热带树木。

  以金合欢树为例,一种名为Pseudomyrmex flavicornis的蚂蚁会保护前者免遭大象以及其他食草动物的侵袭;作为报答,金合欢树会为这种昆虫提供一种其分泌的特殊糖分,以及提供空心的刺供其筑巢。

  两位科学家同时还测定了另外3种非共生蚂蚁的基因组——它们分别与之前的3种共生蚂蚁具有亲缘关系,以及1种与上述6种蚂蚁的亲缘关系都很远的物种。所有这7种蚂蚁都来自于Pseudomyrmex属。

  如今在普林斯顿大学任职的Rubin比较了每一种共生蚂蚁及其伙伴植物和近亲蚂蚁的基因组,并基于近亲蚂蚁与其他蚂蚁之间的脱氧核糖核酸(DNA)差异数量,利用3种序列计算出了进化速率。Moreau指出:“我们希望看到共生生物之间放缓的进化速率。”

  但结果表明,事实恰好相反。与近亲蚂蚁相比,每一种共生蚂蚁的基因组的进化速率都要快于前者。Rubin和Moreau在日前出版的《自然—通讯》杂志上报告了这一研究成果。

  此外,研究人员发现,与非共生的亲戚相比,在所有3种共生蚂蚁中,相同的基因也都发生了改变。Moreau说,这些基因包括一些塑造行为和影响大脑的基因。这一点是符合逻辑的,因为共生关系依赖于特殊的筑巢、进食以及防御行为。“这两个伙伴必须经常在一起跳舞。”

  并且由于其他压力——例如疾病或干旱——能够很容易地使这些“舞蹈”出轨,每个伙伴必须快速地进化以补偿任何出错的“步伐”。Moreau说:“我预计我们将在很多系统中看到这种关系。”

  唯一一种让Moreau和她的研究团队无法解释的DNA变化来自与攻击性有关的基因。与普通蚂蚁相比,共生蚂蚁往往更加具有攻击性——以至于它们会跳到一个枝杈上攻击Moreau和她的同事。但Moreau和Rubin并没有找到与攻击性基因加速进化有关的证据。

  共生现象说的是不同的生物有机体之间密切的相互关联和相互依存关系。在生物界,不仅存在着环环相扣的食物链,也存在动植物之间的相互依存、互惠互利的共生现象。共生又叫互利共生,是两种生物彼此互利地生存在一起,缺此失彼都不能生存的一类种间关系,是生物之间相互关系的高度发展。

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