刺激我们的理解

偶尔,在生命的历史,一个新的特征演化导致爆炸的一群生物的多样性。以翅膀为例。每一种进化出它们的动物都衍生出一大批不同的物种——鸟类、蝙蝠、昆虫和翼龙。科学家们称这些为“关键创新”。

理解关键创新的发展，对于理解地球上令人惊叹的生物体的进化至关重要。其中大部分发生在遥远的过去，这使得从遗传学的角度研究它们很困难。幸运的是，有一组植物在过去的几百万年里获得了这样的特性。

带有优雅花蜜刺的耧梗菜为科学家们提供了一个机会，来研究支撑一项关键创新的基因变化。经过大量的研究，加州大学圣巴巴拉分校教授斯科特·霍奇斯、副研究员伊万杰琳·巴莱里尼以及他们在哈佛大学的合作者已经确定了一个对这些结构发展至关重要的基因。据他们所知，这是第一个关键的创新，其中一个关键的发育基因已经被确定。他们的发现发表在PNAS杂志上。

研究人员以圣安东尼奥马刺队主教练格雷格·波波维奇的名字为该基因命名。巴莱里尼解释说:“这个基因是一个转录因子，这意味着它通过调节其他基因的活动来控制columbines的刺激发育。”“所以我选择波波维奇这个名字，因为作为教练，波波维奇控制着圣安东尼奥马刺队的发展，从某种意义上说，通过规范球员的活动。”

耧斗菜祖先身上刺的进化似乎导致了该属的迅速扩张。在过去的500到700万年里，大约有70个物种进化了，而它的姐妹属只有4个物种。

耧斗菜并不是唯一有刺的花。这一特性在许多不同的植物中独立进化，包括旱金莲、云雀和凤仙花。霍奇斯说:“在这些种群中，长有马刺的种群比它们最近的没有马刺的种群数量要多得多。”

“我们认为多样性与这个刺激的进化有关，因为刺激产生花蜜，吸引动物传粉者，”巴莱里尼说。改变刺的长度或形状可以改变能给花授粉的动物。“蜜蜂只是在蜜蜂花之间移动花粉，蜂鸟也只是在蜂鸟花之间移动花粉，所以你没有在这两个不同种群之间交换基因。最终，这两个物种会分裂成不同的物种。

研究人员试图回答的问题是，这样的创新最初是如何发展起来的。霍奇斯说:“如果我们能找到在关键创新发展过程中非常重要的基因，那将帮助我们理解这一过程。”

他补充说:“在大多数情况下，比如鸟类、蝙蝠和昆虫的翅膀，它们进化得太久了，所以很难找到对进化这一特征至关重要的特定基因。”“这是一项关键创新的最近起源，只有500万到700万年前，这是一个相当简单的特征，所以它更直接一些。”

发现波波维奇

由于耧斗菜进化得如此之晚，它们中的大多数都能形成可育杂交品种。在20世纪50年代和60年代，一位波兰遗传学家将一种无鞭毛的科伦拜恩与其有鞭毛的表亲杂交。她发现第一代的后代都有骨刺，但自花授粉产生了第二代，四分之一的植株重新出现无骨刺。

这一比例对大约半个世纪后霍奇斯和巴莱里尼的作品至关重要。这个简单的部分表明一个单一的基因控制了马刺的发展。但科伦拜恩人有大约3万个基因，其中只有一个是他们要寻找的基因。

跟随他的前辈的脚步，霍奇斯也跨越无冒失科伦拜与刺激物种，然后自花授粉的后代。但与之前的实验不同的是，巴莱里尼和霍奇斯现在拥有了搜索植物基因密码的工具。

巴莱里尼对近300株第二代植株中的每一株进行了基因组测序，并寻找无外来植株从其无外来植株的祖父母那里继承了两个副本的例子。这样就把搜索范围缩小到一种植物染色体上的1100个基因。

尽管如此，仍有1100个基因需要整理。巴莱里尼说:“不能保证这些方法能让我们找到我们要寻找的基因。”“在所有的实验和分析中，肯定有很多工作要做，但最后还是有一点运气。”

Ballerini研究了无鞭毛科伦拜恩和其他三种鞭毛种花瓣发育早期的五个阶段的基因表达情况。她对每一阶段启动的所有基因进行测序，并寻找无刺激植物和刺激植物之间的一致差异。最终，在哈佛大学的一位合作者的帮助下，巴莱里尼怀疑自己找到了正确的基因。在无鞭毛的物种中，它总是被关闭，在有鞭毛的物种中，它是之前在基因杂交中被确认与无鞭毛的花有关的1100个基因之一。现在是检验她的假设的时候了。

 

她使用了一种转基因病毒来抑制问题基因的表达，以及产生红色色素的关键基因。通过这种方法，他们可以通过观察颜色来判断哪些花瓣受到了影响。

无论波波维奇在哪里靠边站，这些花就会长出细小的长刺。但是骨刺的长度取决于细胞的数量和大小。因此，研究人员与合作者一起计算构成这些小刺的每个细胞的数量和长度。

“较长的马刺有更多的细胞，较短的马刺有更少的细胞，”霍奇斯指出。“所以基因一定是通过影响细胞的产生而起作用的。”

巴莱里尼记得她做完最后的分析后坐在办公室里。她开始向同为体育爱好者的研究生扎克•霍特(Zac Cabin)抛出可能的基因名字。“与此同时，扎克和我转向对方，都说了‘波波维奇!”她回忆道。这个名字似乎很合适。“如果我们发现其他基因在刺激发育中起作用，我们就有可能以马刺队的一些球员的名字来命名它们。”

一条通往新发现的道路

确认波波维奇的身份无疑是一项成就，但这项发现的真正价值在于它揭示了关键创新的进化过程。在这项工作之前，拥有众所周知的基因组的植物类群中没有一个也长出了马刺。“我们不知道从哪里开始，”霍奇斯说。“这一发现为我们提供了一个立足点。”

“一旦我们确定了一个基因，就像这个基因，它似乎是形成马刺的关键，然后我们就可以开始找出所有的组成部分，”他补充说。这个团队现在可以开始研究波波维奇调控哪些基因，哪些基因调控波波维奇。“这是理解整个系统的起点。”

尽管研究人员不知道POPOVICH在其他植物类群中是如何发挥作用的，但它似乎影响了三叶草上的小叶数量。科伦拜恩也在它们的叶子中表达了这种基因;巴莱里尼认为，也许它是被叶子吸收到花瓣发育过程中的。

她解释说，小说改编并不是凭空出现的。“当你进化出一个新的结构时，通常你不会进化出一个全新的基因。“一般来说，有机体会对现有的基因进行改造或添加某种目的。

作者还对识别与鞭毛形成第二阶段有关的基因感兴趣:鞭毛杯中的细胞伸长。

霍奇斯说:“既然我们已经确定了这个基因，我们就想做这些事情。”“由于它是一种转录因子，它一定有它所影响的特定基因。下一步是确定这个基因的目标，这将告诉我们更多关于它是如何工作的信息。”

研究人员对哈维·卡普表示了感谢，他慷慨地资助了卡普发现奖，使他们的研究成为可能。“没有它，我们真的无法完成这个项目，”巴莱里尼说。