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蝴蝶基因组的分析揭示了复杂的进化史问题的答案

2019-11-07 11:49:04

多彩的袖蝶属蝴蝶具有各种各样的翼图案和模仿其他蝴蝶物种的外观的惊人的能力。在短时间内,它们也分裂成许多物种,这使它们成为进化生物学家一个多世纪以来的主要研究课题。

科学家们已经了解了这种动态的蝴蝶种类,但仍然没有解决一个迫切的问题:为什么像Heliconius这样的物种群体趋向于比其他物种更快地繁殖?哈佛大学,BYU大学和麻省理工学院的研究人员使用一种针对20个完整Heliconius基因组的新的开创性低成本测序策略,能够通过比以往更详细地重建其进化史来找到答案。

在今天发表在《科学》杂志上的一篇论文中,研究人员阐明了这些特殊蝴蝶的快速形态,并描述了随着渗入而猖ramp的进化历史,其中由于遗传不同的个体之间的杂交,物种之间交换了基因。从总体上看,这些发现提供了证据,证明达尔文首先绘制的进化树模型可能需要进行一些调整。

该研究的合著者,BYU植物与野生动物科学教授Paul Frandsen说:“将进化看成是一棵分叉的树的传统方式并没有捕捉到进化过程的复杂性。” “与其说是树,不如说是灌木或网络。通过查看整个基因组并使用我们的新方法,我们可以更清楚地了解正在发生的事情。”

当进化生物学家想了解不同物种之间的进化关系时,他们通常会使用系统发育树来做到这一点。每个物种都是树枝的尖端,并且一系列分支或分裂导致通往每个分支。但是事实证明,对于许多物种而言,没有像简单的分叉树那样的分辨率—如果进化是一个干净的分裂过程,则每个基因都应具有相同的进化历史。

越来越多的进化科学家开始相信基因渗入正在起作用,特别是在快速物种形成的情况下。但是直到现在,还没有足够的工具来排除其他可能的情况,例如不完整的谱系分类事件(两个物种具有多个基因变异的共同祖先,但是这些基因变异并未完全按照物种边界分类) 。在生成20个完整的基因组集时,Frandsen和他的同事们拥有了可以利用的最大数据集。

然后,他们提出了一种新的计算方法,以确定在基因组中检测到的冲突进化历史的来源是基因渗入还是谱系分选不完整。他们利用哈佛,史密森尼大学和BYU的超级计算设备,发现基因渗入落后于他们在基因组中发现的不一致谱系的70%,相比之下,不完全谱系分选的谱系则为30%。该结果证实,即使当物种形成事件在时间上接近发生时,来自基因渗入的杂交也可能是基因树不一致的主要原因。

哈佛大学有机与进化生物学教授詹姆斯·马莱特(James Mallet)说:“我们能够详细地证明这个属中种间渗入的重要性,因此每个染色体都是与其近亲的不同关系的拼凑而成。” “此外,我们表明基因组结构,例如染色体倒置和局部重组率,对渗入率和物种间关系树有很大影响。”

研究人员说,该论文为如何进行系统发育组学奠定了基础。随着基因组测序和装配技术的迅速发展,以及新的和更大的不同物种数据集的产生,涉及其他多个不同物种的高质量全基因组装配的比较研究将变得司空见惯。

弗兰德森说:“如果没有别的,这篇论文应该帮助那些很难解决物种树的人们,认为它可能比他们一直在使用的分叉模型更加复杂。”

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