进化燃料：古老的染色体反转如何促进生存

竹节虫，红木树枝上的竹节虫。犹他州立大学进化遗传学家Zach Gompert及其同事研究了该物种的染色体反转，并在2023年6月12日的PNAS网络版上报告了这一发现。图片来源:Moritz Muschick

进化的复杂性影响竹节虫反转的任何过程都提供了抵御遗传变异丧失的能力，并可能促进长期生存。

犹他州立大学的进化遗传学家Zachariah Gompert说，基因变异是进化的终极动力。但是，几个世纪以来，这种燃料储备在自然选择和随机遗传漂变过程中耗尽。

基因变异是否能够长期存在，或者如何持续存在，对科学家来说仍然是一个大问题。Gompert和他的同事来自法国蒙彼利埃大学、英国约翰英纳斯中心、墨西哥国立自治大学、内华达大学里诺分校;和圣母大学，在2023年6月13日的《美国国家科学院院刊》网络版上发表了他们对这个问题的调查。这项研究得到了Gompert于2019年获得的国家科学基金会职业奖以及欧洲研究委员会的资助。

“我们研究了如何在一个物种中保持遗传变异，以及这种变异如何影响适应，”USU生物系和USU生态中心的副教授Gompert说。

在这项研究中，研究小组调查了竹节虫(属Timema)，它们以各种各样的植物为食。

冈珀特说:“北美西部有十多种Timema，它们是多面手，可以吃很多种类的植物。”“但是有一个物种，Timema knulli，以红杉为食并茁壮成长，而红杉是其他Timema物种唯一不能茁壮成长的植物之一。”

看来T. knulli具有这种能力是因为染色体反转——也就是说，它的基因组结构发生了变化。冈珀特说，与基因突变(DNA序列的改变)不同的是，染色体反转发生时，染色体的两个断裂之后，片段会发生180度的旋转，然后在原来的断点处重新插入。

他说:“有了反转，染色体的大块——在这种情况下，有3000万个DNA碱基——被向后翻转。”

研究小组确定，T. knulli的这种倒置是古老的。

“我们认为它发生在大约750万年前，”冈珀特说。“最酷的是，T. Knulli种群仍然携带两种版本的等位基因——一种是作为寄主植物在红杉上饲养和繁衍的，另一种是增加祖先寄主植物(开花植物)存活率的原始等位基因，在杂合形式下可能特别有利。”

他说，迁移的竹节虫种群之间的环境异质性和基因交换有助于新的和祖先的染色体变异或多态性的持续存在，这可能通过允许持续的进化和适应，使生物在不断变化的世界中占据优势。

冈珀特说:“影响这种逆转的进化过程的复杂性不仅没有造成损害，反而提供了抵御遗传变异丧失的弹性，并可能促进长期生存。”

参考文献:《复杂的进化过程维持了一个古老的染色体反转》，作者patrick Nosil、Victor Soria-Carrasco、Romain Villoutreix、Marisol de -la- mora、Clarissa F. de Carvalho、Thomas Parchman、Jeffrey L. Feder和Zachariah Gompert, 2023年6月13日，《美国国家科学院院刊》。DOI: 10.1073 / pnas.2300673120

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