Pine dan spruce disesuaikan dengan sejuk kerana gen yang sama • Elena Naimark • Berita sains mengenai "Unsur" • Evolusi, Botani, Genetik

Pines dan firs telah disesuaikan dengan sejuk kerana gen yang serupa.

Kelabu tua (Picea glauca) dan pain dipintal (Pinus contorta) – watak-watak utama dalam kajian baru ini. Walaupun spesis ini menyimpang 140 juta tahun yang lalu, penyesuaian mereka terhadap habitat sejuk diiringi oleh perubahan dalam gen berkaitan. Foto dari pfaf.org dan nzpcn.org.nz

Sebuah pasukan saintis antarabangsa telah menjalankan kajian besar-besaran mengenai genom dua spesies pain dan spruce, untuk mengenal pasti laluan genetik penyesuaian tertentu. Dari sampel yang dikumpulkan dalam 250 populasi yang mewakili spesies spesies lengkap, 23 ribu gen dikodkan, watak-watak fenotip ciri dan parameter semula jadi dicatatkan. Satu juta penggantian nukleotida tunggal telah dikenal pasti dalam pelbagai genetik ini. Analisis statistik serba boleh bagi data ini menunjukkan bahawa dalam kedua-dua spesies terdapat adaptasi arah terhadap keadaan sejuk. Antara gen yang terlibat dalam proses penyesuaian, kira-kira lima puluh ternyata ortologus, iaitu, berkaitan. Ini bermakna bahawa walaupun dalam spesies yang tersebar lama, dan pain dan spesis menyimpang 140 juta tahun yang lalu, penyesuaian yang sama mungkin disebabkan oleh gen yang serupa. Oleh itu, penumpuan dalam sifat-sifat fenotipik disertai oleh perubahan-perubahan gen dalam.Keadaan ini sebelum ini dilihat sebagai mungkin bagi ciri-ciri yang ditentukan oleh satu atau dua gen, dan kes-kes yang sangat kompleks yang disampaikan oleh beribu-ribu gen berbeza tidak dipelajari. Contoh yang dibentangkan dalam pengertian ini sangat menunjukkan.

Evolusi konvergen – pembangunan ciri-ciri yang serupa untuk melaksanakan fungsi yang sama dalam spesies jauh yang tidak berkaitan. Ini bermakna tanda-tanda spesies yang sama diperoleh dengan cara yang berbeza, dan keseragaman bentuk dan / atau fisiologi tidak bermakna spesies yang berkaitan. Sehubungan dengan kemungkinan penampilan konvergen ciri-ciri luaran (fenotip), sistematik morfologi dan pokok-pokok filogenetik berasaskannya diiktiraf sebagai tidak boleh dipercayai. Sesungguhnya, jika tugas taksonomi adalah membina pokok persaudaraan, maka morfologi konvergensi boleh memberi isyarat palsu tentang hubungan itu. Sama ada kes – ciri genetik. Terdapat banyak daripada mereka bahawa kebarangkalian menghasilkan perubahan yang sama dalam gen dalam cara yang konvergen sangat kecil. Oleh itu, dalam dekad kebelakangan ini, sistematik morfologi telah banyak digantikan oleh filogenetik, yang membina pokok berdasarkan persamaan dan perbezaan dalam set genetik yang berbeza.

Walau bagaimanapun, dengan gen yang berubah secara berasingan antara satu sama lain, tidak semuanya jelas.Terdapat kes-kes evolusi konvergen gen, apabila spesies yang tidak berkaitan muncul tanda-tanda, ditentukan oleh gen yang sama dan sering mutasi serupa dalam gen ini. Ini berlaku apabila sifat ditentukan oleh satu atau beberapa gen tunggal, jadi tidak ada banyak pilihan untuk menghasilkan penyesuaian (lihat morfologi Konvergen sebagai hasil penumpuan gen, Elemen, 10.15.2013). Kemungkinan untuk evolusi untuk meraba jalan yang sama ternyata agak tinggi. Tetapi bagaimana jika sifat itu kompleks, ditentukan oleh beribu-ribu gen protein dan pengawalseliaan? Pastinya evolusi akan mempunyai banyak cara untuk membuat penyesuaian. Dalam kes ini, sangat tidak mungkin bahawa gen berkaitan (orthologous) akan terlibat dalam penyesuaian, dan pada prinsipnya tidak munasabah untuk mengharapkan persamaan yang bersatu padanya.

Logik adalah logik, tetapi sifat selalu memberikan jawapannya. Satu kajian antarabangsa berskala besar yang dijalankan oleh sekumpulan universiti di Kanada, Australia dan Amerika Syarikat telah menumpukan kepada asas genetik penyesuaian populasi pain. Pinus contorta dan makan Picea glauca kerana kedua-dua spesies konifer bergerak ke utara. Semasa evolusi, spesies tropika awalnya termophilic ini mengembangkan rangkaian mereka, menetap di seluruh zon boreal.Para saintis merancang untuk mengetahui cara penyesuai genetik kepada keadaan tempatan dan membandingkannya dengan dua spesies. Pada masa yang sama, ia bukanlah tanda-tanda individu yang diselidiki, tetapi semua ciri-ciri bermakna dari kedua-dua fenotip dan persekitaran, dan bukan gen sasaran individu, tetapi semua gen yang mana variasi dalam tahap ekspresi sebelumnya dikesan bergantung pada geografi. Terdapat 23,000 gen tersebut diketahui. Tugasnya adalah skala besar.

Bahan yang dikumpul dahulu – besar! Dari 250 populasi rimba dan pain, yang diselidiki di seluruh kawasan, mereka mengumpul benjolan, merakam, secara semula jadi, apa jenis benjolan dari mana dan menggambarkan keadaan tumbuh di sekitarnya untuk beberapa ciri (kira-kira 20 parameter). Kemudian, di makmal, mereka menanam benih dari kon yang dikumpul dan menanam tumbuhan muda. Setiap bercambah dicirikan oleh 17 parameter morfologi dan fisiologi, sekali gus mewujudkan potret fenotip normal populasi geografi dua spesies. Tetapi itu bukan semua. Untuk tunas asal, bilangan penggantian nukleotida tunggal (SNP) dianggarkan dalam 23,000 gen: berapa banyak dalam setiap gen ini adalah SNP purata. Dengan kata lain, potret genotip populasi geografi dicipta untuk kedua-dua spesies ini.Oleh itu, mungkin untuk membayangkan tahap persediaan kolosal ini – untuk mengelilingi julat dua jenis, mengumpul dan membetulkan bahan, genotip beberapa tumbuhan dari setiap 250 populasi di makmal, menanam beberapa biji dari setiap populasi di dalam ruang pertumbuhan dan, setelah menerima ribuan tumbuhan eksperimen, ciri masing-masing dengan cara yang dipersetujui.

Dan apabila semua ini dilakukan, ia mungkin mula mendapat keputusan yang menarik. Secara keseluruhan, kira-kira satu juta SNP dikesan, iaitu, purata 40-50 substitusi tunggal-nukleotida untuk setiap 23,000 gen. Selanjutnya, di antara gen ini, mereka telah dikenal pasti di mana bilangan SNP dikaitkan dengan perubahan parameter fenotip atau alam sekitar. Adalah dipercayai bahawa korelasi yang meningkat menandakan peranan penyesuaian gen tersebut. Sebagai contoh, bilangan SNP berkadar songsang dengan jumlah perlindungan salji dan kelembapan: untuk kawasan kering dalam gen, bilangan SNP meningkat. Dalam pain, bilangan SNP semakin meningkat ketika kita bergerak ke timur, iaitu, sebagai panjang perubahan bumi. Terdapat juga tanda-tanda seperti fenotip dan alam sekitar, yang menimbulkan peningkatan dalam korelasi seperti kedua-dua pinus dan rempah.Oleh itu, peningkatan rintangan sejuk kepada suhu musim sejuk dan musim luruh sepadan dengan peningkatan bilangan SNP dalam kedua-dua spesies pokok (iaitu, benih yang paling sejuk dari kedua-dua rempah dan pain berasal dari populasi di mana gen dengan pelbagai SNP dikesan). Sebaliknya, kedua-dua buah pine dan spruces di bahagian utara julat dengan indeks suhu minimum mempunyai bilangan terbesar gen dengan mutasi. Oleh itu, dengan pengembangan jarak di utara, penentangan terhadap sejuk adalah faktor utama yang memerlukan penyesuaian arah dalam kedua-dua spesies.

Pengedaran fenotip SNP (di sebelah kiri) dan alam sekitar (di sebelah kananciri-ciri: koordinat setiap titik menunjukkan bilangan gen yang dikaitkan dengan sifat yang samaabscissa – pada pain, paksi y – sudah makan). Di sebelah kiri graf mata menunjukkan rintangan sejuk (kecederaan sejuk) ditandatangani pada musim yang berbeza (pada musim bunga, musim luruh dan musim sejuk). Pada grafik yang betul Tanda-tanda berikut ditandatangani: PAS – kedalaman salji, TD – perbezaan antara musim panas dan musim sejuk, MAP – purata hujan tahunan, MCMT – suhu purata bulan paling sejuk, LAT – latitud geografi, EMT – suhu minimum tahunan, DD_0 – didarab dengan suhu yang sama, ELEVATION – ketinggian di atas paras laut,AHM adalah indikator kelembapan, MAT adalah suhu tahunan purata, LONG adalah bujur geografi. Ia dilihat bahawa tanda-tanda yang berkaitan dengan suhu minimum dan rintangan sejuk pada musim sejuk dan musim luruh sering bermutasi di kedua-dua spesies. Plot dari artikel yang dibincangkan di Sains

Kemudian ahli-ahli sains berpaling kepada gen-gen yang menyediakan hubungan yang tidak langsung, iaitu, peningkatan rintangan sejuk. Objek perhatian mereka adalah gen dengan peningkatan jumlah mutasi dalam individu tahan sejuk dari populasi utara. Adakah mereka mempunyai pinus yang sama dan makan, atau berbeza?

Anda perlu mengambil gen "tahan sejuk" dengan jumlah SNP yang meningkat, contohnya, dari pain, dan melihat bagaimana keadaan dengan ortolog mereka (mempunyai gen nenek moyang biasa) dalam rempah. Ternyata jumlah SNP pada suku ortologus gen juga melebihi purata. Untuk "pain sejuk" gen pain, 5-10% daripada orthologs spruce didapati dengan tahap mutasi yang sama. Jika kita membandingkannya dengan ortolog, tetapi dengan gen lain, maka peningkatan dalam SNP tidak akan diturunkan. Ini bermakna bahawa dalam proses penyesuaian kepada sejuk dalam rumput dan pain 10-18% daripada gen yang serupa (berkaitan) disambungkan.

Ini 10-18% gen rintangan sejuk (jumlah mutlak mereka adalah dari 47 hingga 83 gen bergantung kepada keparahan penapis yang digunakan) untuk sebahagian besar (65%) mempunyai pendua, iaitu, mereka menerima salinan tambahan dalam perjalanan evolusi.Dalam situasi sedemikian, satu salinan boleh digunakan untuk beberapa perniagaan baru, membetulkannya dalam arah yang diperlukan untuk penyesuaian. Penulis karya ini belum dapat menyimpulkan sama ada pertindihan gen adalah mekanisme yang diperlukan dalam pembangunan penyesuaian, tetapi mereka menganggap menjelaskan isu ini sebagai sangat penting untuk memahami proses evolusi.

Seperti yang dapat dilihat dari hasil kerja, penyesuaian pain dan rempah bertujuan untuk membangunkan rintangan sejuk, sifat yang ditentukan oleh beribu-ribu gen. Walau bagaimanapun, walaupun kebarangkalian menghilangkan kebarangkalian evolusi gen menumpu, ciri-ciri seperti itu tetap ditemui. Pine dan spruce mendapati 50-80 gen orthologous yang mengambil bahagian dalam pembentukan penyesuaian yang sama. Penulis menyimpulkan bahawa evolusi konvergen respons respons fisiologis yang kompleks dalam spesies yang lama diverged disebabkan oleh perubahan dalam gen berkaitan. Hasilnya mengejutkan dalam konteks idea-idea yang sedia ada, yang mana kita boleh mengharapkan penumpuan seperti itu dari sifat monogenik atau ditentukan oleh gen tunggal.Seperti yang dapat dilihat, kami masih sangat kurang mewakili sebab-sebab dan mekanisme evolusi konvergen, khususnya, keadaan genetiknya. Projek yang sangat besar diperlukan, seperti yang dilakukan dengan semak dan pain, untuk lebih dekat dengan penyelesaian konvergensi dan evolusi selari.

Sumber: Sam Yeaman, Kathryn A. Hodgins, Katie E. Lotterhos, Haktan Suren, Simon Nadeau, Jon C. Degner, Kristin A. Nurkowski, Pia Smets, Tongli Wang, Laura K. Grey, Katharina J. Liepe, Andreas Hamann, Jason A Holliday, Michael C. Whitlock, Loren H. Rieseberg, Sally N. Aitken. Penyesuaian tempatan yang konvergen kepada iklim dalam konifer yang jauh berkaitan // Sains. 2016. V. 353. P. 1431-1433. DOI: 10.1126 / science.aaf7812.

Elena Naimark


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: