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多名演化生物学专家联合撰写“野生动植物适应性演化的分子机制”综述

花匠小妙招
2024-10-22 22:51

适应性演化是物种生存和维持的基础，驱动了野生动植物许多适应性性状的出现。揭示物种适应性演化的分子机制对理解物种多样化、表型趋同和种间互作等重要生物学现象具有关键意义。随着越来越多非模式生物的基因组被测序，对适应性演化分子机制的解析也从候选基因方法发展到基因组层面的解析。该综述从适应性性状、趋同演化和协同演化视角，介绍了野生动植物适应性演化研究的最新进展。从形态适应、生理适应和行为适应等角度报告了适应性演化的分子机制；综述了与生活史特征和特殊环境压力相关的表型趋同背后的分子趋同机制研究；从互利共生、寄生、捕食和竞争等协同演化类别讨论了其分子机制研究进展。这些最新的研究进展展示了多组学技术方法的应用巨大推动了演化生物学的发展。并对适应性演化研究的发展趋势和前景进行了展望，期望推动演化生物学领域的进一步发展。

近日，SCIENCE CHINA Life Sciences(《中国科学：生命科学》英文版)在线出版了题为“Molecular mechanisms ofadaptive evolution in wild animals and plants”的综述文章。该文由中国科学院动物研究所魏辅文院士组织中山大学施苏华教授、南京师范大学杨光教授、华中师范大学黄双全教授、中科院昆明动物研究所施鹏研究员、中科院植物研究所郭亚龙研究员、云南大学于黎研究员、中科院动物研究所胡义波研究员等团队联合撰写。该综述从适应性性状演化、趋同演化、协同演化等角度论述了野生动植物适应性演化的分子机制最新研究进展，并对该领域的发展趋势进行了展望。

第一大部分“Adaptive mechanisms of functional traits in wild animals and plants”主要从陆生动物、水生动物及植物的适应性性状演化的分子机制进行阐述，并对适应性演化研究的未来挑战进行了讨论。

其中第一节“Crosstalk between phenotypic traits and terrestrial animal adaptation”从形态适应、生理适应、行为适应等角度介绍了国内外陆生动物适应性性状演化的分子机制最新研究进展。其中形态适应主要介绍了鸟喙和动物毛色的适应性演化的分子机制；生理适应重点介绍了适应冬眠和高原环境的分子机制；行为适应主要介绍了觅食、回声定位及大熊猫滚马粪等行为的分子基础。

第二节“Adaptive mechanisms of aquatic animals”从感觉适应、免疫适应、温度适应、静水压力适应、海洋哺乳动物的次级水生适应等角度介绍了水生动物适应性演化的分子机制（图1）。

图1 水生动物适应性演化的分子机制

第三节“Adaptive evolution in plants”从比较基因组学解析、种群基因组学解析、遗传变异与气候参数间相关性分析、生活史特征和功能性状等角度介绍了植物性状适应性演化的分子机制（图2）。

图2 基因拷贝数变异、必需基因变异和结构变异与适应性相关

该综述第二大部分“Convergent evolution in wild animals and plants”主要分别从野生动物和野生植物趋同演化的分子机制方面进行论述，并对该领域的发展趋势进行了分析讨论。

其中第一节“Convergent evolution of wild animals”从回声定位趋同、对特殊环境（高海拔、地下、海洋生活）的适应趋同、食性趋同（植食、肉食、蚁食）等角度介绍了对野生动物趋同演化的分子机制的认识。

图3 野生动物的趋同进化研究示意图

第二节“Convergent evolution of wild plants”从耐受非生物压力、耐受生物压力、形态趋同、产生特殊植物代谢物等角度介绍了对野生植物趋同演化的分子机制的认识，并进一步从植物基因组趋同演化模式和全基因组复制角度分析了趋同演化的机制。如何减少在基因组层面鉴定分子趋同信号时的假阳性问题是研究热点，第三节“Methods for detecting molecular convergence”介绍了近几年分子趋同信号鉴定的方法进展，并进行了深入的分析讨论。

该综述第三大部分“Coevolution”主要从野生动物相关的协同演化和野生植物相关的协同演化的分子机制进行论述，以及介绍协同演化研究的理论和方法学研究进展。第一节“Wild animal-related coevolution”从互利共生、寄生、捕食、竞争等四种协同演化类型方面总结了其协同演化分子机制的最新进展。

图4 野生动物协同进化类型及其功能与分子机制示意图

第二节“Wild plant-related coevolution”以榕树-榕小蜂、兰花的传粉、鸟类与传粉、早期被子植物的传粉、植物和真菌、植物和共生微生物的互利共生体系介绍了互利共生的分子机制；从水平基因转移、调控因子、DNA fossils、植物和昆虫、植物和真菌、植物和病毒等方面介绍了寄生的分子机制；以及植物相关的捕食的分子机制。

图5 共同进化研究的模型系统

该综述最后部分“Trends and prospects”分析了动植物适应性演化的分子机制研究的趋势和展望。第一，随着新技术和新方法的应用，对分子机制的揭示不局限在蛋白编码基因的序列变异和基因表达水平的变化，非编码区DNA变异、非编码RNA、结构变异以及表观修饰都可能是物种适应性演化的潜在重要机制。第二，基因编辑技术的快速发展和应用，促使了演化发育生物学（Evo-Devo）研究的再次兴盛，对物种适应性演化分子机制的认识将从认识潜在机制发展到关键候选基因的功能验证、通路解析甚至表型重现，大大加深对适应性演化分子机制的洞察。第三，大多数宿主和肠道微生物协同演化研究聚焦在肠道微生物的结构和功能认识，而对其协同演化分子机制的因果关系的认识比较欠缺。随着微生物培养和无菌小鼠菌群移植技术的快速发展，对宿主和肠道微生物协同演化机制的认识将更加深入。第四，随着越来越多的动植物适应性演化分子机制的揭示，对其规律的总结与揭示成为可能，期望推动物种演化和分子演化理论的发展。此外，三维基因组技术和“端粒到端粒”T2T完整基因组构建技术的快速应用，迫切需要开发相关数据分析方法来推动这些技术的应用及信息解析。