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三刺魚已成为研究适应性演化的分子基础的一个强大模型。这篇论文提供了一个高质量的参照基因组序列，同时提供了来自全球海洋和淡水种群的另外20个个体的基因组。基因组分析显示，全球共享的持久性基因变异的再使用，在截然不同的棘鱼（三刺魚是其中一种）种群的重复性演化中、在生殖隔离早期阶段的趋异生态型的维持中都扮演一个重要角色。这些数据说明，在海洋和淡水棘鱼的并行演化过程中，调控性变化扮演一个重要角色。


近日，国际杂志《自然》Nature报道，科学家在棘鱼这种“披盔戴甲”的小鱼身上发现突变。这些突变可能有助于棘鱼迅速进化，以适应咸水和淡水这两种不同的生存环境。


自大约一万年前末次冰期结束后，生活在海洋中的三刺棘鱼不断地向世界各地的河流与湖泊拓殖。只需十代——这对进化而言简直是一眨眼的工夫——海洋棘鱼就可以改变它们的盔甲和防御刺来适应较为柔和的淡水。


加州斯坦福大学进化生物学家David Kingsley及其同事找到了区分世界不同地区海洋棘鱼和淡水棘鱼的DNA差异。尽管这种变异在各自独立的不同地区发生，但每次变异似乎都涉及到许多相同的遗传突变。


为了找到关键DNA差异，研究人员对21种棘鱼的全部基因组进行了测序。这些棘鱼来自3个大洲的海洋和淡水水域。研究结果刊登在4月4日出版的《自然》杂志上。


研究人员发现，淡水棘鱼与其最邻近的海洋棘鱼基因组最相似。但是在大约150个DNA序列上，淡水种群和咸水种群分别和与之处于相同环境中的种群更为相似。这些序列包括影响盔甲生长以及肾盐调节的基因。


没有参与此项研究的北卡罗来纳州杜克大学进化生物学家Greg Wray说：“这是影响有机体各个方面的一系列适应，包括鱼的形态、行为、饮食以及交配偏好。”


Kingsley说，整个世界范围内淡水棘鱼种群的相似性表明，它们的每次进化都不是“从零开始”。而一些生活在海洋中的棘鱼可能保留了祖先适应淡水的基因，以便其拓殖新的领地。虽然刚开始的几代表现出混合型或中间型特征，但最终这些基因使得它们适应了淡水生活。


“在整个基因组范围内，我们已经找到了被反复利用以适应新环境的一整套基因。” Kingsley说，“我们能够研究脊椎动物进化的分子基础。”


棘鱼的淡水适应性之前已和基因组的广阔区域相对应，但只在少数几个基因中发现了这种适应性突变。


研究人员就物种适应新环境的突变类型而争论。有些人强调调控的重要性——影响基因在何时何地表达的突变。也有人强调基因编码突变的重要性——这种突变可改变基因产生的蛋白。


Kingsley的研究组发现淡水适应性大概有80%存在于负责调控的DNA，剩下的20%则影响着负责编码的DNA。


调控变化能够通过遗传突变控制基因在多个组织中的表达来加速棘鱼对新环境的适应。研究也表明棘鱼是通过利用已有的遗传变异来加速进化的，而不是坐等随机新发生的突变，Wray 解释道。


“我认为这篇文章真的非常棒，我被他们的数据说服了。”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学进化生物学家Hopi Hoekstra说。然而，她补充道：“对于基因组比较简单或者适应比较缓慢的生物而言，从编码突变或调控突变所占的比例来看，情况就可能大不相同了。”


Wray认为，同样的方法能够应用在相似的环境条件改变下进化了许多次的其他生物研究中。比如小鼠，已经进化出适应世界各地沙漠、林地、草原的不同毛色。“我猜我们将会看到一系列文章。”他说。