浮游动物研究挑战传统进化观

在这项新的研究中，亚利桑那州立大学的科学家和他们的同事调查了自然隔离的水蚤种群水蚤的遗传变化。这种肉眼几乎看不见的微小甲壳类动物在淡水生态系统中起着至关重要的作用，并为自然选择和进化提供了一个独特的窗口

他们的发现发表在最新一期的《美国国家科学院院刊》上，这是基于十年的研究。利用先进的基因组技术，研究小组分析了近1000只水蚤的DNA样本

他们发现，个体基因的自然选择强度每年都有显著差异，通过为自然选择提供原材料来维持变异，并可能增强适应未来不断变化的环境条件的能力。

在看似稳定的环境中，随着时间的推移，特定染色体区域被称为等位基因的基因变异频率会发生显著波动，即使多年来整体选择强度平均保持在接近零的水平。这表明，这种遗传变异使种群能够保持对环境变化的适应性

“这项研究首次让我们看到了即使在看似恒定的环境中也会发生的基因频率的时间变化，这是一种分布在整个基因组中的遗传变异的持续变化，”这项新研究的主要作者Michael Lynch说

林奇是进化机制生物设计中心的主任，也是亚利桑那州立大学生命科学学院的教授。这项研究的其他研究人员包括来自亚利桑那州立大学、华中师范大学和圣母大学的同事

选择的力量

水蚤是一种浮游动物，几个世纪以来一直让生物学家着迷，因为它们在水生生态系统中起着至关重要的作用，并且能够适应环境压力。除了在多代遗传研究中的价值外，水蚤还是淡水毒性测试中广泛使用的模式生物，因为它们具有快速的无性繁殖周期，对各种环境污染物敏感

这些微小的生物是鱼类的重要食物来源，有助于控制藻类的生长。它们快速适应环境变化的能力可能为其他物种（包括对人类食物供应重要的物种）如何应对污染、气候变化和其他人为压力提供线索

在研究期间，水蚤基因组上检查的大多数位点都经历了不断变化的选择压力。平均而言，这些压力趋于平衡，总体影响很小，这意味着没有一个单一的选择方向会随着时间的推移而持续占主导地位。相反，特定性状的遗传优势或劣势会随着时间的推移而变化

这些发现挑战了传统观念，即测量遗传多样性（种群中不同性状的范围）和遗传差异（种群之间的差异）可以很容易地显示自然选择是如何持续运作的。相反，自然选择似乎比以前想象的更微妙、更复杂

重新思考遗传变异

这项研究通过确定基因组内何时何地发生选择压力，开辟了新的天地。除了已知受自然选择强烈影响的性状外，关于自然群体中等位基因频率如何随时间变化的信息很少

对水蚤种群近1000个遗传样本进行的多年全基因组分析表明，大多数遗传位点都经历了不同的选择，平均效应接近于零，表明不同时期的一致选择压力很小，选择分布在许多基因组区域

这些发现挑战了人们对遗传多样性和分化作为随机遗传漂变和选择强度指标的通常理解

变异和存活

在不同基因位点上观察到的选择模式提供了一种维持遗传多样性的机制，这对快速适应至关重要。该研究还表明，染色体上彼此靠近的基因往往以协调的方式进化。这种联系允许基因变异的有益组合一起遗传，从而可能加速适应过程

这种效应可以帮助解释物种有时是如何比科学家通常预期的更快地适应的。另一方面，同样的现象可能导致有害等位基因被链接的有益等位基因扫到更高的频率，在某些情况下降低了选择的整体效率

这项研究表明，进化比以前认识到的更具动态性和复杂性。环境对基因的影响经常发生变化，这可能有助于物种保持适应未来条件所需的遗传多样性。这一新的认识可能会促使科学家重新思考他们如何在野外研究进化

虽然这项研究的重点是水蚤，但这些发现可能对理解其他物种如何应对快速的环境变化产生影响，包括由人类活动驱动的变化，如污染和气候变化。评估等位基因频率在更稳定环境中的稳定性是重要的初步步骤。此类研究至关重要，因为仅靠实验室实验无法复制环境对野生种群影响的复杂性

此外，了解水蚤是如何进化的，可能会为整个生态系统的恢复力提供见解。这些知识可以帮助研究人员预测并可能减轻环境变化对生物多样性和食物网的影响

随着世界努力应对日益加剧的环境危机，像这样的研究为大自然的恢复力和适应能力提供了至关重要的见解。通过继续研究这些微小的生物，科学家们希望更好地了解进化的基本机制，并将这些经验教训应用于更广泛的生态和保护工作 More information: Michael Lynch et al, The genome-wide signature of short-term temporal selection, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2307107121

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences