针对水蚤的研究揭示了环境变化对遗传变异的长期影响

亚利桑那州立大学的科学家研究了水蚤 Daphnia pulex 的基因变异，发现即使在稳定的环境中，单个基因的自然选择也会随着时间的推移而发生显著波动。这项研究表明，持续的基因变异有助于物种保持对未来环境变化的适应能力，这对传统的自然选择观点提出了挑战。

在一项新研究中，亚利桑那州立大学的科学家及其合作者研究了一种自然隔离的水蚤（Daphnia pulex）种群的遗传变化。这种肉眼几乎看不见的微小甲壳动物在淡水生态系统中发挥着重要作用，并为自然选择和进化提供了宝贵的见解。

他们的研究成果最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，这些研究成果是在十年研究的基础上取得的。研究小组利用先进的基因组技术，分析了近 1000 个水蚤的DNA样本。

他们发现，自然选择对单个基因的作用强度每年都有很大不同，通过为自然选择发挥作用提供原材料，保持了变异，并有可能提高适应未来不断变化的环境条件的能力。

水蚤是一种浮游动物，由于其在水生生态系统中的关键作用和适应环境压力的能力，几个世纪以来一直吸引着生物学家。一项新的研究探索了近 1000 个水蚤的 DNA 样本，揭示了自然选择进化过程中的新奥妙。图片来源：Jason Drees 绘制

在看似稳定的环境中，被称为等位基因的基因变异在特定染色体区域的频率会随着时间的推移而发生显著波动，即使多年来选择的总体强度平均保持在接近零的水平。这表明，这种基因变异使种群能够保持对环境变化的适应能力。

新研究的第一作者迈克尔-林奇（Michael Lynch）说："这项研究首次让我们看到了基因频率的时间变化，即使在看似恒定的环境中也会发生这种变化，这是一种分布在整个基因组中的遗传变异的持续变化。"

林奇是美国亚利桑那大学生物设计进化机制中心主任和生命科学学院教授。参与这项研究的其他研究人员包括来自美国亚利桑那大学、华中师范大学和圣母大学的同事。

水蚤是浮游动物的一种，由于其在水生生态系统中的重要作用和适应环境压力的能力，几个世纪以来一直吸引着生物学家。水蚤除了具有多代遗传研究的价值外，还被广泛用于淡水毒性测试的模式生物，因为它们具有快速的无性繁殖周期，并对各种环境污染物敏感。

迈克尔-林奇（Michael Lynch）是亚利桑那州立大学生物设计进化机制中心（Biodesign Center for Mechanisms of Evolution）的负责人。资料来源：亚利桑那州立大学生物设计研究所

这种小生物是鱼类的重要食物来源，有助于控制藻类的生长。它们快速适应环境变化的能力可能为其他物种（包括那些对人类食物供应很重要的物种）如何应对污染、气候变化和其他人类造成的压力提供了线索。

研究表明，水蚤基因组上的大多数位点在研究期间都经历了不断变化的选择压力。平均而言，这些压力趋于平衡，总体影响不大，这意味着没有一个单一的选择方向会随着时间的推移而始终占主导地位。相反，特定性状的遗传优势或劣势在不同时期会发生变化。

这些发现对传统的观点提出了挑战，即测量遗传多样性（一个种群中不同性状的范围）和遗传差异（种群之间的差异）可以很容易地显示自然选择是如何持续发挥作用的。相反，自然选择的运作似乎比以前想象的更加微妙和复杂。

这项研究开辟了一个新领域，精确定位了基因组内选择压力发生的时间和地点。除了已知的受自然选择强烈影响的性状外，关于等位基因频率在自然种群中如何随时间变化的信息很少。

对一个水蚤种群的近 1000 个基因样本进行的多年全基因组分析表明，大多数基因位点都经历了不同的选择，平均效应接近于零，这表明在不同时期几乎没有一致的选择压力，选择遍及许多基因组区域。

这些发现挑战了人们对遗传多样性和分化作为随机遗传漂移和选择强度指标的通常理解。

在不同基因位点上观察到的选择模式提供了一种保持遗传多样性的机制，而遗传多样性对于快速适应至关重要。研究还发现，染色体上相互靠近的基因往往以协调的方式进化。这种联系使得有益的基因变异组合能够一起遗传，从而有可能加速适应过程。

这种效应有助于解释为什么物种的适应速度有时比科学家通常预期的要快。另一方面，同样的现象也可能导致有害等位基因被相连的有益等位基因扫到更高的频率，从而在某些情况下降低了选择的整体效率。

这项研究表明，进化比人们以前认识到的更加动态和复杂。环境对基因的影响经常发生变化，这可能有助于物种保持适应未来条件所需的基因多样性。这一新的认识可能会促使科学家重新思考如何研究野生动物的进化。

虽然这项研究的重点是水蚤，但研究结果可能对了解其他物种如何应对快速的环境变化（包括由污染和气候变化等人类活动引起的环境变化）有影响。在更稳定的环境中评估等位基因频率的稳定性是重要的第一步。这类研究至关重要，因为仅靠实验室实验无法复制环境影响野生种群的复杂性。

此外，了解水蚤是如何进化的可能有助于深入了解整个生态系统的恢复能力。这些知识可以帮助研究人员预测并减轻环境变化对生物多样性和食物网的影响。

在全球努力应对日益加剧的环境危机之际，类似这样的研究为了解大自然的恢复能力和适应能力提供了至关重要的启示。科学家们希望通过继续研究这些微小的生物，更好地了解进化的基本机制，并将这些经验应用到更广泛的生态和保护工作中。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1073/pnas.2307107121