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云南大学孙艳波研究组在阐明可塑性与适应性之间的关系方面取得新进展
作者: 发布时间:2022-06-06 点击数:

生物对新/极端环境的适应通常认为包含两个过程:第一步是由环境改变引起的可塑的表型变化,这一步并没有涉及遗传物质的改变,称为“表型可塑性”;第二步是由遗传物质的改变引起的表型变化,这一步通常是在自然选择的作用下,通过筛选对宿主有利的基因组变异,进而进化出最终的适应性表型。理清这两步过程的关系,即表型可塑性与遗传因素、甚至适应性进化的关系,是充分理解生物对新环境如何产生生态适应的关键。

目前,有两个假说提出表型可塑性在生物适应新环境中的作用。第一,基于一些表型性状的观察,传统观点认为可塑性是一种“垫脚石”,允许生物在新环境中进化出适应性的遗传和表型之前快速获得最佳表型,以快速在新环境下生存。第二,通过对基因表达数据的分析发现,可塑性的表达变化通常会被随后的遗传表达变化所逆转(而不是增强/维持),然后提出可塑性是非适应性的。因此,可塑性是否在生物适应新环境中发挥作用/发挥何种作用仍是有待进一步研究的。

最近一项研究提出一种新观点,强调了表型可塑性在生物进化中的核心作用:表达水平的可塑性变化主要是一种“长期记忆”,帮助生物对其祖先(而不是新)环境的重新适应。然而,在重新适应祖先环境(“反向适应”)的过程中,哪些基因组元件发挥特定作用?以及这是否代表了一种普适规律,比如,基因组中的非编码区是否也会表现出与蛋白编码基因类似的表达趋势仍不清楚。

转座因子(TEs)是一类在基因组中可以复制或移动到基因组其他位置的DNA序列。不同的TEs可以通过改变宿主的转录调控网络进而导致表型的变化和物种适应性。基于此,本文系统研究了不同类型的TEs在正向和反向适应过程中的动态表达谱,并讨论了其与可塑性形成之间的可能联系。

本文重新分析了Ho等人(2020)相互移植研究中的鸡的转录组数据。我们定义了三组样本:(O)生活在原始环境中的个体;(P)从原始位置转移到新环境的个体;以及(A)适应了新环境的个体;并计算每个阶段TEs(以及蛋白编码基因)的表达水平。结果发现,除大脑外的几乎所有组织中,TE的可塑性变化在反向适应过程中显著超过了遗传变化。通过进一步分析蛋白编码基因与TE的共表达网络发现,TE在基因的调控网络中占据重要位置,都表明TE可能有助于动物对祖先环境的再适应(通过引起可塑性的基因表达变化)。

研究结果以“Expression Plasticity of Transposable Elements is Highly Associated with Organismal Re-adaptation to Ancestral Environments”为题发表于Genome Biology and Evolution(https://doi.org/10.1093/gbe/evac084)。博士研究生刘彦男为论文第一作者,云南大学孙艳波研究员为通讯作者。本研究得到云南省基础研究计划“杰出青年”项目,以及国家自然科学基金面上项目的支持。

 

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