基因组加倍让植物快速适应环境

上一篇 / 下一篇  2011-08-29 21:23:32

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[摘要]

开花植物中染色体进化经常因为多倍性而不时中断。多倍性指的是基因组加倍从根本上改变DNA含量,染色体数目和基因剂量。多倍性造成合子后生殖隔离(postzygotic reproductive isolation),被认为是生态差异产生(ecological divergence)和栖息地扩张(range expansion)的推手。然而多倍性的适应值(adaptive value)一直不清楚。生态学家传统上依赖于观察方法进行研究,然而这些观察方法本质上并不能将多倍性影响与基因组复制后累积的基因差异区分开来。这里,通过实验测试多倍性如何调节紫菀科欧蓍草(Achillea borealis)的生态差异。该植物以四倍体形式广泛分布,同时还有一些局部分布的六倍体群体。在加利福利亚海岸,四倍体和六倍体植株分别占据着潮湿的草地和干燥的沙质栖息地。野外移植实验表明,在沙质栖息地上,六倍体植株的适应性要比野外搜集的四倍体植株强5倍。从四倍体植株中筛选到的新六倍体植株,即一代突变株,用它们进行平行实验显示基因组加倍后适应性增强了70%。这些结果表明基因组加倍改变了欧蓍草的特征从而使它适应一个新的环境。

【ScienceDaily (May 4, 2011)】植物适应它们生长的当地天气和土壤环境。一般认为这种环境适应性是植物经过几千年的遗传密码突变缓慢积累进化而来的。但是罗彻斯特大学的一名生物学家Justin Ramsey发现至少一些植物的适应性几乎是即刻完成的,这一过程是通过简单地加倍现有的遗传物质数量,而不是通过DNA序列的改变来完成的。

几乎所有的动物都有两套染色体,一套来自父本,另一套来自母本,然而很多植物是多倍体的,含有至少四套染色体组。尽管一些植物学家想知道多倍体植物是否有新的特征

允许它们在环境变化中存活或在新栖息地繁殖,但是这一想法一直没有得到强有力地证实。此外,人们也不清楚多倍性怎样影响植物在自然条件下存活和繁殖。

加利福利亚海岸野生欧蓍草(Achillea borealis)比较常见。四倍体欧蓍草,占据该海岸北部潮湿的草地栖息地,而六倍体欧蓍草生长在该海岸南部的含沙的沙质栖息地。

Ramsey将四倍体欧蓍草从北部移植到南方栖息地,发现本土的六倍体欧蓍草的存活能力要比移植过来的四倍体欧蓍草强5倍。这个实验证明南部的植物本来就适应干燥的环境,然而,依然不清楚染色体数目的变化是否也起着重要作用。随着时间的流逝,自然条件下的六倍体植物群体也许能累积有助于在干燥环境下生存的DNA序列变异。

为了证实是否如此,Ramsey从四倍体群体中筛选出一代六倍体欧蓍草突变株,然后将它们移植到南部沙质栖息地,结果发现一代六倍体突变株在新环境下的存活能力要比同代的四倍体姊妹植株强70%。由于这些四倍体和六倍体植株有着共同的遗传背景,存活差异的直接原因是染色体组数目不同,而不是染色体上DNA序列的变化。

为此,Ramsey提出两种理论来解释六倍体植物比较强的存活能力。第一种理论可能为,DNA含量的不同会改变叶子表面上调节微小气孔关闭的细胞的大小和形状,结果在六倍体欧蓍草植物中,由于染色体数目的增加,水分通过叶子的速率就可能降低。另一种可能性就是,染色体组数目的增加会屏蔽植物有害基因的影响。

据此,Ramsey认为,有时这种植物适应环境的机制并不是由于基因的不同,而是染色体数目的不同。然而,在此之前,科学家们认为多倍性产生基因家族------一组功能相关联的基因------中起着一定的作用,但是他们并不清楚染色体加倍(chromosome duplication,译者注:即染色体数目增加)本身是否也有一个适应值(adaptive value,指所有影响个体或群体适应性的所有因素组合在一起时产生的影响)。因此,Ramsey说,科学家们应当投入更多的注意力到染色体数目上,不只是将它作为一种进化机制,而且也应作为一种保存稀有植物和濒临灭绝的植物的遗传变异的形式。

towersimper注:

(1)染色体加倍(chromosome duplication):chromosome duplication,字面翻译,可以有很多种反应,比如染色体复制,染色体加倍,染色体重复等等,这里根据上下文,个人以为翻译为染色体加倍为好,因为整篇都是关于多倍体,关于染色体或者基因组数量的增加,会导致DNA含量增加,基因剂量增加,从而对植物环境适应性产生影响。

(2)适应值(adaptive value),指所有影响个体或群体适应性的所有因素组合在一起时产生的影响。


野生欧蓍草。植物适应它们生长的当地天气和土壤环境。一般认为这种环境适应性是植物经过几千年的遗传密码突变缓慢积累进化而来的。但是罗彻斯特大学的一名生物学家Justin Ramsey发现至少一些植物的适应性几乎是即刻完成的,这一过程是通过简单地加倍现有的遗传物质数量,而不是通过DNA序列的改变来完成的。


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