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物种间的基因流动影响达尔文雀的进化

尽管传统观点认为物种之间不会通过杂交来交换基因,但普林斯顿大学生态学家彼得和罗斯玛丽·格兰特领导的一项新研究表明,亲缘关系密切的物种之间的基因流动比之前认为的更为普遍。

来自普林斯顿大学和乌普萨拉大学的一组科学家在5月4日出版的《自然生态与进化》杂志上详细介绍了他们关于达尔文两种雀类之间的基因流动是如何影响它们喙部形态的发现。

加拉帕戈斯群岛上的达尔文雀就是一个快速适应辐射的例子,在100万到200万年的时间里,有18个物种从一个共同的祖先物种进化而来。其中一些物种只分离了几十万年或更短的时间。

这项新研究的共同作者、普林斯顿大学的罗斯玛丽和彼得·格兰特对达芙妮岛上达尔文雀的种群进行了连续40年的研究,并观察到两种不同物种——普通仙人掌雀和中地雀——偶尔的杂交现象。仙人掌雀(Geospiza scandens)比中等地雀(G. fortis)稍大,有更尖的喙,专门以仙人掌为食。中地雀的喙比较钝,专门以种子为食。

A schematic showing the combination of a Common Cactus Finch with a Medium Ground Finch make a hybbrid finch

图示雄性仙人掌雀与雌性地雀杂交的结果。罗斯玛丽和彼得·格兰特对达芙妮岛上的这些鸟类进行了40多年的研究。普通的仙人掌雀有一个尖喙来适应以仙人掌为食,而中等大小的地雀有一个钝喙来适应碾碎种子。杂交雌雀成功地与雄性仙人掌雀交配,而杂交雄雀则没有成功地争夺高质量的领地和配偶。因为这些杂交雌雀从它们的仙人掌雀父亲那里得到了单一的Z染色体,所以这些杂交雌雀没有在不同物种之间的Z染色体上的基因流动。 

“多年来,我们观察到这两个物种之间偶尔的杂交,并注意到喙形的趋同,”这对夫妻团队说,他们是数十年来的研究伙伴。彼得·格兰特是1877年的动物学教授和生态学与进化生物学的名誉教授,罗斯玛丽·格兰特是名誉高级研究生物学家。

“特别是,普通仙人掌雀的喙变得更钝,更像中等地雀的喙,”格兰特继续说。“我们想知道这种进化变化是否可以用两个物种之间的基因流动来解释。”

“我们现在已经解决了这个问题,我们对这两个物种进行了测序,它们来自不同的时期,喙的形态也不同,”共同的第一作者之一、肯特州立大学(Kent State University)副教授桑吉特·拉米查尼(Sangeet Lamichhaney)说。“我们提供了大量基因流动的证据,特别是从中等地雀到普通仙人掌雀。”

“一个令人惊讶的发现是,观察到的基因流动在大多数常染色体上是显著的,但在性染色体之一的Z染色体上却可以忽略不计,”乌普萨拉大学(Uppsala University)的研究生范涵(音)说。她在博士论文中分析了这些数据。“在鸟类中,男性的性染色体是ZZ,女性是ZW,而在哺乳动物中,男性是XY,女性是XX。”

格兰特夫妇说:“这个有趣的结果与我们在加拉帕戈斯群岛的实地观测结果非常吻合。”“我们注意到大多数杂交雀种都有一个共同的仙人掌雀父亲和一个中等地雀母亲。此外,杂交雌雀成功地与普通的仙人掌雀交配,从而将中地雀的基因转移到普通的仙人掌雀种群中。相比之下,雄性的杂交品种比普通的仙人掌雀要小,不能成功地争夺高质量的领地和配偶。”

A cactus finch on a cactus

普通的仙人掌雀,用它的尖喙捕食仙人掌。

达尔文雀的这种交配模式可以用这样一个事实来解释:达尔文雀的鸣声会影响到它们父亲的鸣声,所以儿子们的鸣声与他们父亲的鸣声相似,而女儿们更喜欢与与他们父亲鸣声相似的雄性雀进行交配。此外,杂交雌雀从它们的仙人掌雀父亲那里得到Z染色体,从地雀母亲那里得到W染色体。这就解释了为什么Z染色体上的基因不能通过这些杂交雌雀从中地雀流到仙人掌雀,而基因组其他部分的基因却可以,因为杂交雀的父母的贡献是一样的。

“我们的数据显示,两个物种之间的杂交的健身是高度依赖于环境条件影响食品丰富——也就是说,在多大程度上混合动力车,两个物种的基因变异,能够成功争夺食物和领土,“乌普萨拉大学和德州的列夫Andersson说第一部;M大学。

他继续说:“两个物种之间正在进行的杂交的长期结果将取决于环境因素和竞争。一个场景是,这两个物种将会合并成一个单一的物种结合两个物种的基因变异,但或许更有可能的情况是,他们将继续表现为两种,要么继续交换基因偶尔或开发生殖隔离,如果混合动力车在一定程度减少健身与纯种后代。这项研究有助于我们理解生物多样性是如何进化的。”

由桑吉特·拉米切尼、范汉、马修·t·韦伯斯特、b·罗斯玛丽·格兰特、彼得·r·格兰特和莱夫·安德森合著的《达尔文雀的两种物种间的雌性偏倚基因流》发表在5月4日出版的《自然生态》杂志上。进化(DOI: 10.1038 / s41559 – 020 – 1183 – 9)。这项研究得到了加拉帕戈斯国家公园管理局、查尔斯·达尔文基金会、国家科学基金会、克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会以及瑞典研究委员会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.princeton.edu/news/2020/05/07/gene-flow-between-species-influences-evolution-darwins-finches