5.3 知識(shí)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(lái)，演化的思想已經(jīng)深入人心。全基因組測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，使得科學(xué)家們能夠透過(guò)DNA這本 “生命...

5.3

知識(shí)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(lái)，演化的思想已經(jīng)深入人心。全基因組測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，使得科學(xué)家們能夠透過(guò)DNA這本 “生命之書(shū)” 一窺生物演化的傳奇史詩(shī)。然而隨著研究的不斷深入，演化中的 “歷史遺留問(wèn)題” 逐步顯現(xiàn)：基于表型數(shù)據(jù)或遺傳數(shù)據(jù)偶爾會(huì)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(lèi)動(dòng)物為例，論證了在物種快速分化過(guò)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(guò)少數(shù)基因或表型特征來(lái)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

● ● ●

1837年7月，結(jié)束了跟隨 “小獵犬號(hào)” 的環(huán)球航行后，一位年輕的博物學(xué)家打開(kāi)自己的筆記本，寫(xiě)下了 “我認(rèn)為（I think）” 并信筆涂鴉了一個(gè)簡(jiǎn)單的圖案。當(dāng)時(shí)的他也許并未意識(shí)到，這個(gè)不經(jīng)意萌發(fā)出的思考，即將引領(lǐng)人類(lèi)文明史上一場(chǎng)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(guò)近兩個(gè)世紀(jì)，“生命之樹(shù)” 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(shí)間推進(jìn)而茁壯成長(zhǎng)、開(kāi)枝散葉，最終形成了如今多姿多彩的生命世界——這樣一個(gè)簡(jiǎn)潔而詩(shī)意的意象，也似乎可以回答人們對(duì)自身起源的長(zhǎng)久追問(wèn)。然而，隨著人們對(duì)生物演化的研究從形態(tài)進(jìn)入分子領(lǐng)域，研究者們?cè)桨l(fā)意識(shí)到，實(shí)際的演化過(guò)程遠(yuǎn)比樹(shù)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(shū)” 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(lèi)哺乳動(dòng)物的演化關(guān)系，并驗(yàn)證了不完全譜系分流（incomplete lineage sorting，ILS）對(duì)表型演化的影響 [3]。

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

如果將物種比作一個(gè)容器，那么它的基因組就像是裝在這個(gè)容器中的一組帶編號(hào)的球：每個(gè)編號(hào)都有自己的多種顏色和演化路徑。物種分化時(shí)，容器一分為二，容器中的球也會(huì)隨之被重新分配（圖2）。雖然大多數(shù)球都會(huì)和新容器的分化路徑保持一致，但也難免會(huì)有一些球被 “放錯(cuò)”——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(cuò)”球與演化關(guān)系推斷。1號(hào)球的分配方式與容器的演化路徑一致，基于1號(hào)球的顏色推斷A、B、C三個(gè)容器的親緣關(guān)系時(shí)，也很自然地認(rèn)為B和C更近；2號(hào)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(hào)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(chēng)為 “祖先多態(tài)性（ancestral polymorphism）”，而由祖先多態(tài)性導(dǎo)致的、基因樹(shù)（球的演化歷史）與物種樹(shù)（容器的演化歷史）不一致的情況，就稱(chēng)為 “不完全譜系分流”。

如果物種的分化過(guò)程足夠長(zhǎng)，祖先物種有充足的時(shí)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(gè)過(guò)程中，物種之間的遠(yuǎn)近親疏十分明確，很少會(huì)出現(xiàn)右圖中那種 “放錯(cuò)球” 的現(xiàn)象。

但是，如果物種分化過(guò)程非常快，短期內(nèi)分化出大量物種，祖先還來(lái)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(lái)，新的物種就有可能隨機(jī)保留了某種祖先的變異——此時(shí)，“放錯(cuò)球” 就會(huì)頻頻出現(xiàn)，進(jìn)而影響通過(guò)這些變異推導(dǎo)出的親緣關(guān)系。所以，物種快速分化的過(guò)程常常伴隨著不完全的譜系分流。

有袋類(lèi)（marsupials）是一種特殊的哺乳動(dòng)物，以雌性特有的育兒袋著稱(chēng)，包含了袋鼠、考拉、負(fù)鼠等動(dòng)物。有袋類(lèi)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(shù)來(lái)推斷其演化歷史。不過(guò)，有袋類(lèi)在演化早期經(jīng)歷過(guò)一個(gè)快速的物種分化過(guò)程，使得一些深度分支的關(guān)系難以厘清，其中爭(zhēng)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(gè)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(lèi)動(dòng)物，特別是袋鼠目（Diprotodontia，又稱(chēng)雙門(mén)齒目）更為相似。早前有使用線(xiàn)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(lèi)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(lèi)中，但與澳洲有袋類(lèi)各個(gè)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(lèi)的姐妹群（sister taxon），即澳洲有袋類(lèi)形成一個(gè)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(lèi)地位假說(shuō)一：位于澳洲有袋類(lèi)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(lèi)地位假說(shuō)二：澳洲有袋類(lèi)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(huì)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(jiǎn)稱(chēng)Dipr）物種樹(shù)袋熊（koala）、尤金袋鼠（tammar wallaby）和袋鼬目（Dasyuromorphia，以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)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(jiǎn)稱(chēng)Micr）的演化地位存在三種可能性（圖6）：

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

2 Dipr_Micr樹(shù)-小山猴與袋鼠目的親緣關(guān)系更近；

3 Dasy_Micr樹(shù)-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(duì)區(qū)構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)生樹(shù) | 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(lèi)動(dòng)物的姐妹群（圖7），因此 Dipr_Dasy 樹(shù)被認(rèn)定為反映小山猴真實(shí)演化歷史的物種樹(shù)。

雖然基因組整體支持了物種樹(shù)，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(lèi)物種的基因組中發(fā)現(xiàn)了大量不支持物種樹(shù)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(lèi)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(lái)自于不完全譜系分流，且有袋類(lèi)基因組有超過(guò)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(huì)偶然地導(dǎo)致兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生不同的形態(tài)特征，那么這樣一來(lái)，就可能會(huì)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?cè)陔殴菑澢男螒B(tài)、胸椎T1與T2的棘突長(zhǎng)度比、門(mén)齒形態(tài)等方面都更加相似（圖8）。

那么，這些宏觀(guān)表型的相似性是否來(lái)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(dòng)物的肱骨形態(tài)、脊柱棘突相對(duì)高度與門(mén)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(gè)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(cè)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(duì)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(duì)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(hào)（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?/span>（圖9）。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(gè)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?cè)诖宋恢玫陌被嵋簿鶠榫彼?/span>（R）。當(dāng)研究人員將小鼠該位置的氨基酸從Q變?yōu)镽時(shí)，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）。“這樣的變化符合我們對(duì)不完全譜系分流會(huì)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(shuō)。

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

生物的演化遠(yuǎn)非一張樹(shù)形圖那般簡(jiǎn)潔明了，基因組中遍布著 “歷史遺留問(wèn)題”。本研究表明，基因組中的不完全譜系分流現(xiàn)象會(huì)影響物種的表型相似性，進(jìn)而影響演化關(guān)系的推斷。“該文指出了一個(gè)重要問(wèn)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(huì)有問(wèn)題?！?西北工業(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(shí)，使用全面的比較基因組數(shù)據(jù)可能更有分辨率。”

為了回答小山猴演化地位的問(wèn)題，此項(xiàng)研究主要解析了六個(gè)關(guān)鍵代表性物種的演化關(guān)系。在澳洲分布的四個(gè)有袋類(lèi)目級(jí)分類(lèi)中，研究人員選取了袋鼠目和袋鼬目作為代表。“物種選取跟我們要追溯的祖先節(jié)點(diǎn)有關(guān)。” 馮少鴻告訴《知識(shí)分子》，“袋鼠目配袋鼬目、袋鼴目、袋貍目中的任意一個(gè)即可。袋獾和棕袋鼩基因組質(zhì)量好，且一開(kāi)始尋找骨骼標(biāo)本的時(shí)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(lèi)的演化歷史以及分析不完全譜系分流對(duì)物種演化的影響，還需要更多的有袋類(lèi)物種基因組數(shù)據(jù)?！?/span>

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

參考文獻(xiàn)：（上下滑動(dòng)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