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生物多樣性哪裡來?臺大團隊的新研究,用現代科學檢視達爾文的天擇說與物種起源!

李承叡
・2021/04/22 ・2378字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 文 / 李承叡|臺灣大學生態學與演化生物學研究所

還記得達爾文的演化論嗎?簡單來說,不同環境因子產生不同天擇壓力,選汰出能適應各地環境、具有不同形態的後代(圖一)。久而久之,一個物種就可能會慢慢分化成數個形態不同的物種。然而比起觀察兩個已經分家很久的物種,也許研究正在分化的族群更能讓我們釐清物種分化的過程!

美洲 pocket mice (Chaetodipus intermedius) 不同族群的毛色與與當地岩石色調相近,具有避免掠食者發現的隱蔽性。圖一/PNAS

受限於當年對遺傳學的理解,達爾文很難再進一步提出物種遺傳組成會改變的證據。之後數十年,隨著統計學、數量性狀遺傳學、與族群遺傳學的興起,人們逐漸體認到除了天擇,基因突變、族群間的遺傳交流、自然界的隨機事件、及生物的生殖模式差異等因素都是推動生物演化的重要驅動力。接著數十年又過去了,今天的科學家,可以用分子生物學與基因體學去進一步證實達爾文的想法,探究不同環境如何影響天擇力量、性狀差異、最終造成遺傳分化的這個的過程嗎?

利用野外實驗及遺傳定位證實棲地環境觀察

臺灣大學的李承叡老師團隊利用美洲洛磯山脈的野生草本植物 Boechera stricta 探究這個議題。先期研究發現這個物種內有兩個遺傳組成差距極大的群體(在此暫稱亞種),且這兩個亞種即使在距離極近的同個山脈內仍偏好分佈在不同棲地:終年潮濕的溪邊、及水分供給短暫(多為夏季融雪及短暫降雨)的山坡上。但是,這就代表環境差異本身可以直接促進遺傳分化嗎?

研究人員首先利用野外及溫室實驗補足其中的連結(圖二):在水分供給充足的溪邊,果實產量是重要的天擇壓力,且當地原生植物開花慢(開花前可累積更多養份)、花期長、花序軸粗壯(用以支持更多果實)。在水分供給短暫的山坡,存活率是最重要的因子,當地原生族群的生活史快速(但果實產量較低)以求躲避夏末的乾季。更重要的是,而就算一同種植在溫室,兩個亞種的性狀仍會表現出適應原生地的樣貌,證明此性狀差異是由遺傳而非後天環境控制的。換句話說,由迥異環境造成的選汰壓力差異已經藉由對外表型的選擇,影響了兩個亞種間的遺傳因子。後續的遺傳定位實驗也證實了這一點:在溪邊環境控制個體種子產量的基因座同時也影響了花序軸粗細,且來自當地族群的對偶基因同時具有增加後代數量以及加粗花序軸的效用,與上述生態觀察的結果相符。如果我們把眼光放到這兩個亞種的整個分布地區,更可以發現這個重要基因座裡的遺傳多樣性與各地降雨量高度相關。

美國洛磯山脈野生植物 Boechera stricta 兩個亞種(紅框及藍框)迥異的棲地環境及生殖策略。植物特寫圖為花序軸頂端,可見長角果(Silique)的數量在兩個亞種差異極大。圖二/作者提供。

可是物種分化是整個基因體都分化,你只證明一個基因座有差異啊?

沒錯,生物學家不可能針對所有與土壤水分含量有關的性狀做基因定位,而且與一般認知的孟德爾遺傳學不同,自然界不少性狀是由眾多基因控制的。在這個狀況下,每個基因對外表型僅有少量影響,而個體間的差異是許多基因的影響共同累積而成的。我們有沒有辦法一次快速地掃描整個基因體,找出與自然環境(而不是特定性狀)相關的許多基因座,再看看他們是不是在兩個亞種間有強烈的分化呢?

這時候就要借助近年在人類遺傳學很常用的技巧了:全基因體關聯性定位(圖三)。簡單來說,有了一群個體的基因體資訊後,我們就能計算他們的性狀(可以是類別或是數量性狀)和基因體中每一個位點的相關性,得知基因體中哪些位置會影響性狀,這個邏輯在植物當然也通用。換個角度想,如果今天我們有一群在不同環境採集的野生動植物,再把採集地點的環境資料(如氣溫或雨量)當成一個「性狀」去做分析,是不是就能直接找到和適應不同環境有關的這些基因呢?

全基因體關聯性定位的基本概念。這邊先假定生物為單倍體,圖中每條粗黑橫線代表一個個體的染色體,小方框內為染色體上五個位點的基因型。此方法藉由測試基因體內每個位點與類別性狀(人類得病與否)、數量性狀(人類身高或植物開花天數)、甚至環境因子(棲地雨量)的關聯,找出控制性狀或棲地適應的基因。圖三/作者提供

當然研究人員這邊想做的並不只是找出和環境相關的基因這麼簡單。如果這兩個亞種對各自棲地水分含量的適應會導致眾多性狀的演化,進而促進基因體中許多位置的分化,最後各自形成不同物種的話,我們利用全基因體關聯性定位找出跟雨量相關的這許多基因,他們在兩個亞種之間的分化程度應該會比基因體其他位置的分化程度更高。相對地,如果一個環境因子(如氣溫)和族群分化無關,那與其相關的眾多基因應該不會有類似的狀況。當然,這也是這篇研究所發現的。研究人員在此證實了,生存環境差異會促進基因體內許多與環境適應相關的基因座產生分化,帶動整個基因體產生差異,促進物種分化。

演化生物學的新方向:統合野外生態實驗,基因座定位,及基因體學

達爾文認為生存環境差異會造成物種分化。然而要完全證明這一點,科學家必須釐清許多環節:不同生存環境會產生怎樣的天擇壓力?不同天擇壓力能否影響性狀的演化,背後牽涉哪些基因?這樣的環境壓力只牽涉到少數幾個基因,還是會影響許多基因,最後促進整個基因體的分化?過去的研究探討這個過程的不同環節,而本研究結合生物學的眾多領域,完整串連了演化生物學的一個重要議題。

本計劃蒙科技部年輕學者養成計劃之哥倫布計畫補助,特此致謝。

論文原文請見:The ecological, genetic and genomic architecture of local adaptation and population differentiation in Boechera stricta

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陰謀論大徵集!你聽過哪些陰謀論?【科科齊打交】

stage_96
・2021/05/03 ・605字 ・閱讀時間約 1 分鐘

S編按:【科科齊打交】是我們希望與大家一起進行的對話形式,期待在討論的過程中,我們能離知識更近一些。

在製作《Pan-pan-Panspiracy 一切都是泛科學的陰謀》專題時,我們蒐集到了不少陰謀論,But!這還不夠!我們想要更多!親愛的科夥伴們,快來貢獻你們聽過的陰謀論吧!

所以說,什麼是陰謀論?

所謂陰謀論,顧名思義,背後得有「陰謀」。

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