科学家不同意“基因组岛”的存在 - 新闻 - 科学网

　　随着更复杂的分析方法的出现，基因组岛理论最终将证明是对还是错。但是这需要很长时间。

　　十二年前，科学家破解了传播疟疾的蚊子冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）的基因组，并希望遏制疟疾的传播。但是美国布卢明顿印第安纳大学的人口遗传学家马修·哈恩（Matthew Hahn）更感兴趣的是利用蚊子基因组来解决进化生物学问题：物种是如何产生的？冈比亚按蚊分为两种：M型和S型。然而，他们的生活地域是相互重合的，他们的生活习惯是相似的。例如，S型冈比亚按蚊栖息池塘和M型冈比亚按蚊喜欢居住在稻田里。哈恩认为，同一物种的这种差异是物种分化的早期阶段。

　　基因组岛概念

　　Hahn使用最新的基因组测序数据进行DNA探针，并与他的同事们一起密切关注M型和S型冈比亚按蚊的DNA组成，希望找到更细微的差异。然而，与他们的观察相反，观察结果不同于两种类型的冈比亚按蚊的DNA，除了三个节点，Hahn被称为由该物种形成的基因组岛。在基因组的其它区域，M型和S型按蚊的蚊子仍然可以流经杂种，使得两种DNA非常相似。但在基因组岛上，滩头基因流被阻断。由于这些基因组岛含有特殊的序列，确保两种基因中的一种可以击败另一种基因组，所以新的种类在时间到来时就诞生了。

　　这一发现对于回答困扰进化生物学几十年的问题具有重要意义：如何在没有地理隔离和持续杂交的情况下诞生新的物种。

　　后来，最初提出岛屿基因组概念的哈恩成了这个理论中最难对付的对手。他在一次Phylogeny会议上说，绝大多数基因组岛屿发现实际上是由科学家评估它们的手段的差异造成的。哈恩说：没有足够的证据证明基因岛的存在。然而，其他研究小组提供了新的发现，表明基因组岛确实存在，并在某些物种的形成中起决定性作用。

　　科学家最初认为，物种的形成需要物理特征，例如在两个地方划分相同物种的大型河流或山脉，并迫使属于同一物种的种群以不同的方式生活。随着时间的推移，随机性的变化会发生，而自然选择可以改变物种的基因组，即使原来属于同一物种的两个种群也不可能交叉，如果没有地理隔离，杂交种将会继续，不会产生新的物种。

　　但事实是，即使没有地理隔离，新的物种也会出现。其中一种方法是通过改变生态习性来创造新的物种。也就是说，同一物种的两个种群适应不同的环境，从而形成不同的行为和偏好。例如，一个人喜欢在苹果上产卵，而另一个人喜欢在山楂上产卵。但是，如果这两个种群仍然能够杂交，那么这么小的差异会使这两个种群最终分裂呢？

　　研究历史

　　在20世纪70年代和80年代，研究人员发现不同种群的混合种群仍然能够杂交，这表明即使一些基因组已经开始发生变异，基因仍然在流动。 2001年，芝加哥大学的吴忠一提出了这样的假说：新物种的形成是通过逐渐改变不同片段的基因组来实现的。换句话说，属于同一物种的不同物种的一些基因组发生了突变，而基因组的其他部分仍然能够彼此整合和协调。他说，即使是细微的差异也会导致新的物种，比如适应新的环境或者选择合作伙伴。然而，直到哈恩比较两种冈比亚按蚊，研究人员才认可这种观点。

　　Hahn及其同事发现的三个基因组岛实际上是两种冈比亚按蚊中三种最不同的DNA集合。不久之后，圣母大学的研究人员Nora Besansky就研究了蚊子的基因组。在这项研究中，她还发现了差异化的基因组，并使用称为遗传固定指数（FST）的统计工具确定了感兴趣的区域。该方法旨在比较给定群体中DNA差异的百分比与整个物种中DNA差异的百分比。

　　2008年，对两个豌豆蚜虫种群的研究揭示了基因组岛屿与遗传选择之间的关系。两个豌豆蚜虫栖息在红三叶草上，另一个苜蓿上。 Parker马里兰大学的进化生物学家Sara Via通过育种和DNA定位技术确定了两个蚜虫特异性基因区域。该地区的基因蚜虫可以帮助适应不同的食物来源，这些基因位于高遗传固定指数区域。

　　这证明了基因组岛的存在。根据爱达荷大学进化生物学家卢克·哈蒙（Luke Harmon）的观点，基因组岛理论被许多人认为是完美解释生态物种形成的理论，部分归功于图像的隐喻：水流代表基因组的流动，而基因组岛则类似于在海上火山爆发后形成的岛屿在水流过岛屿时被陆地封闭和分流。此外，随着时间的推移，岛屿将继续扩张，直到完全阻断水流，基因组不能再完全流动，新的物种诞生。岛之所以能继续扩大，是因为有利基因会继续被复制，而其他基因有益的个体突变也会加入进来，使岛屿长期保持延伸，将会产生更多的基因组岛。

　　被质疑

　　然而，对基因组岛理论的追求并没有停止。 2009年，杜克大学的穆罕默德·努尔（Mohamed Noor）和莎拉·本内特（Sarah Bennett）在“遗传杂志”（Heredity）杂志发表的一篇评论中说，基因组岛屿只是一种不切实际的幻想。他们指出，如果新物种开始分化但最终不能形成，高遗传固定指标区域内的基因组差异也可能被这个过程所遗留下来。另外，差异的形成也可能是因为DNA序列和结构阻碍了基因的流动，如果是这样的话，这些差异将不包含对个体友好的DNA。

　　巴黎圣母院大学的进化生物学家杰弗里·费德（Jeffrey Feder）开始作为基因组岛理论的支持者，但当费德研究苹果和蛆时，他开始怀疑这个理论的正确性。在北美，山楂的绝大多数蛆虫都会在山楂的果实上产卵，但大约150年前，一些山楂蛆开始在苹果上产卵，此时苹果刚刚被引入北美。苍蝇往往在产卵场寻找异性交配，所以今天，两个种群之间的杂交较少，基因流动较少，尽管它们现在属于同一物种，但它们最终成为两个独立的物种。

　　2003年，Feder和其他研究人员发现了一个基因的非常长的DNA片段，这个片段可能在新物种的形成中发挥关键作用，在幼虫和蝇蛆中相反的方向延伸。这块DNA看起来像一个基因组岛，因为它调节苍蝇“在水果吃时间，反过来影响苍蝇的生命周期。

　　但是，当费德和同事们将越来越复杂的研究工具引入到山楂和苹果蝇的DNA研究中时，他们发现了其他几十个不同之处。由于差异的数量，他们推断可能存在基因组大陆，整个大陆的自然选择，或者几座山的存在。这是自然选择过程中最关键的一点。在Feder的研究之后，其他研究小组也发现了类似的向日葵，蝴蝶和紫锥花等物种的多重差异，其中一组甚至重新检查了冈比亚按蚊的DNA，比较了M型和S型而不是像哈恩那样只绘制一个子集，一般来说，许多研究人员已经发现一个新物种的诞生始于整个基因组，而不是从少量的遗传变异开始。

　　去年春天，哈恩从基因岛理论的支持者转向了对手。哈恩和他的博士生Tami Cruickshank分析了蚊子，家鼠，欧洲野兔和蝴蝶的基因组数据，并提出了遗传固定指数的替代方案。他们的分析表明，那些报告发现基因组岛屿的实验结果在应用新的评估方法后不再有效，Hahn和Cruickshank在6月的“分子生态学”期刊上发表了他们的发现。

　　然而，其他科学家的发现支持基因岛理论。加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学植物学家罗兰·里塞伯格（Loren Rieseberg）和他的博士后研究员罗斯·安德鲁（Rose Andrew）最近比较了在草原上生长的向日葵的DNA和在沙丘上生长的向日葵的DNA。结果表明，基因流对于基因组岛的产生非常重要，他们在9月份的“进化”杂志上发表了这个结果。

　　乌普萨拉大学的进化生物学家乔臣·沃尔夫（Jochen Wolf）及其同事对两个仍然相互交叉的欧洲乌鸦种群进行遗传测序。欧洲乌鸦的整个身体是黑色的，而欧洲灰色的乌鸦是灰色的。沃尔夫的研究小组发现，两个种群的基因组只有82个独立的差异，仅代表840万个基因组中的一小部分，几乎所有的差异都在大型基因组岛上。并指出基因岛含有决定颜色偏好和视觉感知的基因组，这意味着乌鸦倾向于选择同一种配偶为同一种颜色。

　　英国爱丁堡大学的进化生物学家尼古拉斯·巴顿说：随着越来越复杂的分析工具的出现，基因组岛理论最终将被证明是对的还是错的。但是这需要很长时间。 （段辛涔）

　　“中国科学”（2014-08-19第3版国际）