新的进化研究揭示了大规模的基因组转移

Rhagoletis pomonella蝇会探索山楂树的原生寄主果实。

通过应用最新的基因组测序和分析工具来保存1990年代在巴黎圣母院进行的实验的证据，一项新的进化研究发现一代人发生了巨大的基因组转变。

赖斯大学，圣母大学和其他三所学校的生物学家团队发现，一种农业害虫在经历了一代人的广泛和全基因组变化之后，可能在1850年代开始困扰美国的苹果种植者。

这项新结果于本周在线刊登在《生态快报》上，该结果来自应用最新的基因组测序和分析工具来保存1990年代在巴黎圣母院进行的实验的证据。该研究的重点是果蝇Rhagoletis pomonella（又名“苹果”），它是北美本地人，其卵产在山楂树的果实中。在1850年代，Ragogotis的一个分裂小组开始在纽约州北部的苹果中产卵，此举要求果蝇适应其年度产卵周期的时间以适应其新寄主的结实时间。

“今天，在美国，有两种形式的Ragogotis pomonella，其祖先形式将其生命周期乘以山楂树，而派生形式则定为苹果树，这种果实约在3-4周前就结了果实，”研究负责人说。莱斯大学生物科学系的进化生物学家斯科特·埃根（Scott Egan）的作者。“这两种形式已经发展出非常不同的差异，并且正在演变为两个新物种，并且由于它们每年只有一代人，因此我们知道，两者之间的所有差异发生的时间均不超过170代。 ”

这两个种群也是已知的杂种。在给定的年份中，大约有5％的人口迁移。对于专门研究物种形成过程的伊根（Egan）和其他生物学家来说，在顽固种群之间持续的“基因流动”提出了一个重大问题，即是否可能以及如何将Pomonella最终进化为两个物种。

埃根说：“根据理论，这一数量的基因流应该足以抵消驱使人群分离的选择性选择过程。”“但是，如果自然选择很强，并且选择的影响在全基因组范围内，那么即使面对如此持续的基因流动，两者也可能会持续存在。”

为了了解这两个种群的遗传扩散速度，来自巴黎圣母院，英国谢菲尔德大学，佛罗里达大学和堪萨斯州立大学的Egan及其同事进行了迄今进行的最广泛的Pomonella R.遗传分析。

该团队从犯罪法医学界借来一页，将基因组科学的最新工具应用于实验样品，这些样品自1990年代中期以来一直保存在巴黎圣母院生物学家杰弗里·费德（Jeffrey Feder）实验室的冰箱中。在最初的实验时，遗传技术仅允许Feder及其同事研究整个基因组中的少数变化。

这张图描绘了全基因组遗传差异，这种差异是在将山楂树卵产在山楂树上的Rhogoletis pomonella的一个本地寄主种族（红色）和在1850年代开始在苹果树上繁殖的一个新的pergent寄主种族（绿色）之间演变而来的。在实验室实验中，研究人员发现，仅在苹果树的果树上繁殖原生山楂果蝇就可以导致一代人的全基因组转变（红色虚线），占这两个种族之间遗传差异的70％。

费德说：“我们在实验室的山楂树上采集了苍蝇，将苍蝇分为两组，并在类似山楂和苹果的条件下饲养了苍蝇。”通过在两种情况下都增加祖先的种群，费德及其同事通过实验复制了1850年代在纽约观察到的寄主转移。

2012年，Egan及其同事对早期实验室实验中的个体的一部分基因组进行了测序，并测量了在山楂样和苹果样条件下饲养的个体之间的差异。该小组建立了一个数据库，该数据库包含超过50亿个核苷酸碱基对，以检查所有种群之间的遗传差异。特别令人感兴趣的是整个基因组上的位点，在这些位点上，DNA序列在一个位点上从一个种群到另一个种群就不同。物种内这种类型的遗传变异称为多态性，“单核苷酸多态性”或SNP是多态变异的最小单位。

Egan说：“对于在苹果周期中一代代繁殖的祖先蝇，我们记录了超过32,000个SNP的变化。”“总的来说，我们发现，第一代人经历的遗传变化占自1850年代以来两个种群之间发生的所有遗传变化的70％。”

堪萨斯州立大学的格雷格·拉格兰德（Greg Ragland）是该研究的主要作者，他说：“在波氏杆菌实验种群和自然种群中观察到的变化突显了在持续发展的早期阶段进行生态选择的重要性，并呼吁进一步整合物种研究。和基因组的持久性。”

例如，当研究小组将“选择实验”的遗传变化与自然界中苹果和山楂种群之间的全基因组差异进行比较时，他们发现了惊人的相似之处。具体而言，这32,000个SNP的方向和大小与自然界中祖先和过剩种群之间观察到的差异相似。

费德说：“通过结合来自实验种群和自然种群的基因组数据，我们能够量化选择对全基因组范围的总体影响。”

他说，这种影响在沙门氏菌的整个基因组中是广泛分布的，因为除了对构成重要特征的基因的直接影响外，还存在间接影响，其中一个基因的变化通过称为“连锁不平衡”的过程促使其他地方发生变化。

埃根说，先前对波氏杆菌的研究提供了其他线索，说明为什么基因转移如此普遍。例如，在宿主植物之间移动时正在选择的性状涉及许多基因。此外，波氏芽孢杆菌具有高水平的种群内遗传变异，很容易对其进行选择。最后，波莫氏菌更容易受到自然选择的影响，因为它的基因组包含几个“倒置区”，即DNA序列被破坏并以相反顺序重新排列的区域，这增加了连锁不平衡和选择的总体影响。

这项研究是由莱斯大学的赫ley黎大学生态与进化生物学研究金以及巴黎圣母大学的高级诊断与治疗学和环境变化计划资助的。研究的共同作者包括巴黎圣母院的劳伦·阿苏尔，格伦·胡德和斯科特·埃姆里奇。佛罗里达大学的托马斯·鲍威尔；和谢菲尔德大学的Patrik Nosil。

出版物：斯科特·P·埃根（Scott P. Egan）等人，“物种形成与基因流动早期阶段生态选择对全基因组影响的实验证据”，《生态快报》，2015年； DOI：10.1111 / ele.12460

图片：汉尼斯·舒勒（Hannes Schuler）; S.伊根/莱斯大学