5.3知識分子The Intellectual 南美小山猴和澳洲袋鼠 導(dǎo) 讀 自《物種起源》發(fā)表以來，演化的思想已經(jīng)深入人心。全基因組測序技術(shù)的飛速發(fā)展，使得科學(xué)家們能夠透過DNA這本 “生命之書” 一...

5.3知識分子The Intellectual

南美小山猴和澳洲袋鼠

導(dǎo) 讀

自《物種起源》發(fā)表以來，演化的思想已經(jīng)深入人心。全基因組測序技術(shù)的飛速發(fā)展，使得科學(xué)家們能夠透過DNA這本 “生命之書” 一窺生物演化的傳奇史詩。然而隨著研究的不斷深入，演化中的 “歷史遺留問題” 逐步顯現(xiàn)：基于表型數(shù)據(jù)或遺傳數(shù)據(jù)偶爾會得出相互矛盾的結(jié)果。在今年4月發(fā)表于《細(xì)胞》雜志的最新研究中，科學(xué)家們以有袋類動物為例，論證了在物種快速分化過程中，基因組中的不完全譜系分流現(xiàn)象可以引起遠(yuǎn)緣物種具有相似的表型特征，進(jìn)而影響演化關(guān)系的推斷。因此他們提出，僅僅通過少數(shù)基因或表型特征來推斷物種的演化關(guān)系并不可靠，全基因組數(shù)據(jù)才能準(zhǔn)確反映出真實(shí)的演化歷史。

撰文 | 吳蕾責(zé)編 | 馮灝

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1837年7月，結(jié)束了跟隨 “小獵犬號” 的環(huán)球航行后，一位年輕的博物學(xué)家打開自己的筆記本，寫下了 “我認(rèn)為（I think）” 并信筆涂鴉了一個簡單的圖案。當(dāng)時的他也許并未意識到，這個不經(jīng)意萌發(fā)出的思考，即將引領(lǐng)人類文明史上一場轟轟烈烈的思想變革。他的名字和他的理論體系，也將成為后人探索生命世界的燈塔和海圖（圖1）。

圖1 達(dá)爾文的筆記 | 圖源[1,2]

經(jīng)過近兩個世紀(jì)，“生命之樹” 的概念已經(jīng)深入人心。最初的生命如同一顆破土而出的幼芽，隨著時間推進(jìn)而茁壯成長、開枝散葉，最終形成了如今多姿多彩的生命世界——這樣一個簡潔而詩意的意象，也似乎可以回答人們對自身起源的長久追問。然而，隨著人們對生物演化的研究從形態(tài)進(jìn)入分子領(lǐng)域，研究者們越發(fā)意識到，實(shí)際的演化過程遠(yuǎn)比樹形分支復(fù)雜得多，不僅根據(jù)表型得出的演化關(guān)系與實(shí)際的基因組演化大相徑庭，甚至DNA這本 “生命之書” 的不同章節(jié)都可能得出相互矛盾的結(jié)論。

今年4月發(fā)表于《細(xì)胞》雜志的一篇研究中，研究人員解析了關(guān)鍵有袋類哺乳動物的演化關(guān)系，并驗(yàn)證了不完全譜系分流（incomplete lineage sorting，ILS）對表型演化的影響 [3]。

在樹形圖中，物種分化過程可能就是一個二叉樹上的節(jié)點(diǎn)，但在現(xiàn)實(shí)世界里，它既不是在某時某分某秒立刻發(fā)生的，也不是一根線變成兩根線這種單一且同質(zhì)的事件。

如果將物種比作一個容器，那么它的基因組就像是裝在這個容器中的一組帶編號的球：每個編號都有自己的多種顏色和演化路徑。物種分化時，容器一分為二，容器中的球也會隨之被重新分配（圖2）。雖然大多數(shù)球都會和新容器的分化路徑保持一致，但也難免會有一些球被 “放錯”——也就是基因組的部分區(qū)域（球）與物種（容器）的演化路徑不盡相同。

圖2 “放錯”球與演化關(guān)系推斷。1號球的分配方式與容器的演化路徑一致，基于1號球的顏色推斷A、B、C三個容器的親緣關(guān)系時，也很自然地認(rèn)為B和C更近；2號球的分配方式與容器的演化不一致，B偶然間保留了與A相同顏色的球，因此從2號球的顏色判斷，A和B的親緣關(guān)系更近，與真實(shí)的關(guān)系矛盾 | 本文作者制圖

這種容器中有很多不同球的現(xiàn)象，學(xué)術(shù)界稱為 “祖先多態(tài)性（ancestral polymorphism）”，而由祖先多態(tài)性導(dǎo)致的、基因樹（球的演化歷史）與物種樹（容器的演化歷史）不一致的情況，就稱為 “不完全譜系分流”。

如果物種的分化過程足夠長，祖先物種有充足的時間可以固定自己特有的變異，新物種在繼承祖先變異后再各自固定變異，傳遞給下一代物種……在這個過程中，物種之間的遠(yuǎn)近親疏十分明確，很少會出現(xiàn)右圖中那種 “放錯球” 的現(xiàn)象。

但是，如果物種分化過程非?？?，短期內(nèi)分化出大量物種，祖先還來不及固定某種變異，就已經(jīng)產(chǎn)生了更新的下一代。這樣一來，新的物種就有可能隨機(jī)保留了某種祖先的變異——此時，“放錯球” 就會頻頻出現(xiàn)，進(jìn)而影響通過這些變異推導(dǎo)出的親緣關(guān)系。所以，物種快速分化的過程常常伴隨著不完全的譜系分流。

有袋類（marsupials）是一種特殊的哺乳動物，以雌性特有的育兒袋著稱，包含了袋鼠、考拉、負(fù)鼠等動物。有袋類分布于澳洲和南美洲、中美洲，但是澳洲和美洲之間有大洋相隔，如今的分布是如何形成的呢？這就需要根據(jù)可靠的物種樹來推斷其演化歷史。不過，有袋類在演化早期經(jīng)歷過一個快速的物種分化過程，使得一些深度分支的關(guān)系難以厘清，其中爭議的焦點(diǎn)之一就是微獸目（Microbiotheria）的演化地位。微獸目下只有一個現(xiàn)生物種——小山猴（Dromiciops gliroides，monito del monte），分布于南美洲的智利和阿根廷（圖3）。

圖3 小山猴生態(tài)照 | 圖源[4]

盡管小山猴分布于南美洲，但它的許多解剖學(xué)特征（踝骨關(guān)節(jié)、生殖器官、大腦結(jié)構(gòu)）與澳洲的有袋類動物，特別是袋鼠目（Diprotodontia，又稱雙門齒目）更為相似。早前有使用線粒體基因和形態(tài)數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為，分布于南美的小山猴是澳洲有袋類的下屬分支（圖4）[5]。另有基于形態(tài)的研究，雖然也將小山猴放在了澳洲有袋類中，但與澳洲有袋類各個目的關(guān)系卻與前面的研究并不一致[6]。最新的演化分析則認(rèn)為，小山猴是澳洲有袋類的姐妹群（sister taxon），即澳洲有袋類形成一個整體，而小山猴是與之最近緣的分支（圖5）[7]。

圖4 小山猴的分類地位假說一：位于澳洲有袋類內(nèi)。綠色為分布于南美洲的物種，藍(lán)紫色為分布于澳洲的物種 | 圖源[5]

圖5 小山猴的分類地位假說二：澳洲有袋類的姐妹群?；疑珵榉植加谀厦乐薜奈锓N，黑色為分布于澳洲的物種 | 圖源[7]

那么，真實(shí)的演化歷史是什么樣的呢？為什么會出現(xiàn)這種矛盾呢？

在新發(fā)表的研究中，研究者獲取了小山猴的全基因組數(shù)據(jù)，并選取了分布于澳洲的袋鼠目（Diprotodontia，以下簡稱Dipr）物種樹袋熊（koala）、尤金袋鼠（tammar wallaby）和袋鼬目（Dasyuromorphia，以下簡稱Dasy）物種袋獾（Tasmanian devil）、棕袋鼩（brown antechinus），以及分布于南美洲的負(fù)鼠目（Didelphimorphia）物種灰色短尾負(fù)鼠（gray short-tailed opossum）進(jìn)行比較基因組分析。

圖6 小山猴與澳洲有袋類的三種演化關(guān)系 | 圖源[3]

結(jié)合前人的研究結(jié)論，在本研究中，小山猴所代表的微獸目（以下簡稱Micr）的演化地位存在三種可能性（圖6）：

1 Dipr_Dasy樹-澳洲的兩種有袋類親緣關(guān)系最近，分布于南美的小山猴是澳洲有袋類的姐妹群；

2 Dipr_Micr樹-小山猴與袋鼠目的親緣關(guān)系更近；

3 Dasy_Micr樹-小山猴與袋鼬目的親緣關(guān)系更近。

圖7 使用全基因組同源比對區(qū)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)生樹 | 圖源[3] 繪圖：丁弋

研究人員發(fā)現(xiàn)，全基因組數(shù)據(jù)支持小山猴是澳洲有袋類動物的姐妹群（圖7），因此 Dipr_Dasy 樹被認(rèn)定為反映小山猴真實(shí)演化歷史的物種樹。

雖然基因組整體支持了物種樹，但并不意味著局部區(qū)域也與之保持一致。研究人員在有袋類物種的基因組中發(fā)現(xiàn)了大量不支持物種樹的區(qū)域。在這些區(qū)域上，小山猴的基因組嵌在了澳洲有袋類的內(nèi)部，要么是跟尤金袋鼠和考拉更相似，要么跟袋獾和棕袋鼩更相似。進(jìn)一步的分析揭示，這種現(xiàn)象來自于不完全譜系分流，且有袋類基因組有超過50%區(qū)域受其影響。

“不完全的譜系分流所引發(fā)的祖先多態(tài)性的隨機(jī)固定，可能會偶然地導(dǎo)致兩個親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種繼承相同的祖先基因型。如果不同的祖先基因型會產(chǎn)生不同的形態(tài)特征，那么這樣一來，就可能會導(dǎo)致遠(yuǎn)緣物種具有更加相似的表型?！?本文第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院馮少鴻博士表示。他們發(fā)現(xiàn)，盡管小山猴與袋鼠和考拉并非近緣的譜系，但它們在肱骨彎曲的形態(tài)、胸椎T1與T2的棘突長度比、門齒形態(tài)等方面都更加相似（圖8）。

那么，這些宏觀表型的相似性是否來自于基因組中大規(guī)模的不完全譜系分流呢？

圖8 本研究中各目代表動物的肱骨形態(tài)、脊柱棘突相對高度與門齒結(jié)構(gòu) | 圖源[3] 繪圖：丁弋

研究人員發(fā)現(xiàn)，受到不完全譜系分流影響的基因組區(qū)域包含了上百個與神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、骨骼形態(tài)等相關(guān)的基因，推測它們可能與物種表型的相似度與演化歷史之間的矛盾有關(guān)。為進(jìn)一步驗(yàn)證不完全譜系分流對遠(yuǎn)緣物種相似表型的貢獻(xiàn)，他們使用小鼠為模型，利用基因編輯技術(shù)（CRISPR/Cas9），針對與脊柱發(fā)育相關(guān)的WFIKKN1基因和與肱骨發(fā)育相關(guān)的PAPSS2基因設(shè)計(jì)了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖9 Dipr_Micr的ILS信號（藍(lán)色區(qū)域）在小山猴WFIKKN1基因上的分布 | 圖源[3]

以WFIKKN1基因?yàn)槔▓D9）。小山猴、尤金袋鼠和考拉的胸椎前兩節(jié)棘突的高度相似，它們此基因編碼區(qū)第76個氨基酸均為谷氨酰胺（Q）。而負(fù)鼠、袋獾和棕袋鼩的胸椎前兩節(jié)棘突高度的比值小于1，它們在此位置的氨基酸也均為精氨酸（R）。當(dāng)研究人員將小鼠該位置的氨基酸從Q變?yōu)镽時，表型也隨之發(fā)生了相應(yīng)的變化：與野生型小鼠（Q）相比，基因編輯小鼠（R）胸椎前兩節(jié)棘突高度比值明顯降低了（圖10）?！斑@樣的變化符合我們對不完全譜系分流會導(dǎo)致遠(yuǎn)緣物種具有更加相似的表型的預(yù)期?！?馮少鴻說。

圖10 Wfikkn1Q76R/Q76R小鼠與野生型小鼠的T1和T2棘突相對差異 | 圖源[3]

生物的演化遠(yuǎn)非一張樹形圖那般簡潔明了，基因組中遍布著 “歷史遺留問題”。本研究表明，基因組中的不完全譜系分流現(xiàn)象會影響物種的表型相似性，進(jìn)而影響演化關(guān)系的推斷?！霸撐闹赋隽艘粋€重要問題。因?yàn)椴煌耆V系分流的存在，僅僅憑形態(tài)或部分基因的相似度判定親緣關(guān)系可能會有問題?！蔽鞅惫I(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院的王文教授表示，“在揭示物種間關(guān)系時，使用全面的比較基因組數(shù)據(jù)可能更有分辨率?！?/p>

為了回答小山猴演化地位的問題，此項(xiàng)研究主要解析了六個關(guān)鍵代表性物種的演化關(guān)系。在澳洲分布的四個有袋類目級分類中，研究人員選取了袋鼠目和袋鼬目作為代表?！拔锓N選取跟我們要追溯的祖先節(jié)點(diǎn)有關(guān)?！瘪T少鴻告訴《知識分子》，“袋鼠目配袋鼬目、袋鼴目、袋貍目中的任意一個即可。袋獾和棕袋鼩基因組質(zhì)量好，且一開始尋找骨骼標(biāo)本的時候，也是它們的資源比較多。但是，如果想更精細(xì)地重建有袋類的演化歷史以及分析不完全譜系分流對物種演化的影響，還需要更多的有袋類物種基因組數(shù)據(jù)?！?

致謝：感謝中國科學(xué)院動物研究所白明研究員為本文的撰寫提供幫助和指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：（上下滑動可瀏覽）

1.Trees and networks before and after Darwin. Available from: https://www.researchgate.net/publication/38092957_Trees_and_networks_before_and_after_Darwin/figures?lo=1.

2.Stolen Charles Darwin notebooks left on library floor in pink gift bag. Available from: https://www.bbc.com/news/entertainment-arts-60980288.

3.Feng, S., et al., Incomplete lineage sorting and phenotypic evolution in marsupials. Cell, 2022.

4.Dromiciops gliroides. Available from: https://animal-library.fandom.com/wiki/Dromiciops_gliroides.

5.Nilsson, M.A., et al., Marsupial relationships and a timeline for marsupial radiation in South Gondwana. Gene, 2004. 340(2): p. 189-96.

6.Horovitz, I. and M.R. Sánchez-Villagra, A morphological analysis of marsupial mammal higher-level phylogenetic relationships. Cladistics, 2003. 19(3): p. 181-212.

7.Nilsson, M.A., et al., Tracking marsupial evolution using archaic genomic retroposon insertions. PLoS Biol, 2010. 8(7): p. e1000436.

制版編輯 | 姜絲鴨