生物進化研究的三大問題

生物進化研究的三大問題

受科學(xué)、數(shù)學(xué)和哲學(xué)家影響的生物進化研究至少要回答以下三個問題：1。物種進化的動力和環(huán)境選擇（壓）力；2.物質(zhì)和機會的基礎(chǔ)和可能的路徑。3.物種的表型形成了一個與自身生存和生殖相適應(yīng)的機制，即轉(zhuǎn)化生態(tài)學(xué)的目標(biāo)。然而，與其他領(lǐng)域一樣，對進化的研究和認(rèn)識水平也受到學(xué)科本身、相關(guān)學(xué)科和方法學(xué)科水平的影響。19世紀(jì)中,以“自然選擇,適者生存”為核心的達(dá)爾文進化論,從生態(tài)學(xué)層次揭示了生物形態(tài)和環(huán)境間的內(nèi)在聯(lián)系.20世紀(jì)初,由于孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn),進化研究與遺傳學(xué)的有機結(jié)合,產(chǎn)生了從遺傳學(xué)層次認(rèn)識突變、選擇、漂移導(dǎo)致基因表達(dá)頻率的定向改變是新形態(tài)進化基礎(chǔ)的新(后)達(dá)爾文主義.20世紀(jì)70年代后,有關(guān)基因、基因類型的多樣性及基因間互作知識的累積,遺傳操作,特別是轉(zhuǎn)基因技術(shù)的日臻完善,使生命科學(xué)各分支領(lǐng)域的研究在方法學(xué)層次產(chǎn)生了重大突破.轉(zhuǎn)基因,不僅能在宿主基因組中引入基因,改變基因拷貝數(shù),控制異位表達(dá),而且能直接誘發(fā)特定座位的突變,從而獲得便于直接、量化研究性狀和適合度關(guān)系的實驗性突變個體,為實現(xiàn)進化生態(tài)學(xué)目標(biāo)開辟了新路.一、基因表達(dá)與基因表達(dá)的匹配所謂轉(zhuǎn)基因就是把源于同一或不同物種,能表達(dá)產(chǎn)物的DNA序列,人為地引入個體基因組.這一過程須通過列于表1的某種途徑,列于表2的一種載體系統(tǒng)完成.載體系統(tǒng)的構(gòu)成要素包括:整合序列、啟動子、可選擇標(biāo)志、某些情況下還要有調(diào)節(jié)或同源序列操縱整合后轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)(要素釋義見附錄).轉(zhuǎn)基因技術(shù)能有效揭示適應(yīng)的機制.首先,在于借此能得到其表型有別于宿主的變異體又盡可能地減小對其他表型的影響.其次,可以從引入“新基因”開始直至新表型產(chǎn)生的各個環(huán)節(jié),考察變異性狀的產(chǎn)生與物種存活和生殖的聯(lián)系.關(guān)鍵問題在于選擇適宜于適合度研究的基因.二、適應(yīng)轉(zhuǎn)移分析1.熱脅迫下hsp60的表達(dá)許多生物都曾遭遇危及自身的高溫.因此,人們一直認(rèn)為脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生的熱休克蛋白(HSPs)是生物體為阻止蛋白質(zhì)變性的一種適應(yīng)性功能.HSP只能在脅迫后的細(xì)胞中查到,而且,耐受性的高低與HSP水平相關(guān).但是,不能就此認(rèn)定熱激反應(yīng)是產(chǎn)生耐熱性的直接原因,或這種適應(yīng)只針對熱脅迫.因為,滲透防御、細(xì)胞膜飾變及某些酶的表達(dá)機制也能誘發(fā)產(chǎn)生脅迫耐受性及HSPs的共表達(dá).為了澄清這一問題,Feder等以果蠅中受脅迫后產(chǎn)量最高的HSP70為靶基因,FLP-FRT為載體系統(tǒng),通過同源重組,從原有10HSP70基因拷貝的黑腹果蠅中獲得擁有12個拷貝的轉(zhuǎn)基因新品系.經(jīng)過比較分析驚喜地發(fā)現(xiàn),在高溫條件下與對照組相比,額外拷貝果蠅能過量表達(dá)HSP70,呈現(xiàn)更高的耐熱性.不僅成蟲如此,交配后產(chǎn)生在果園爛蘋果中的幼蟲或蛹也表現(xiàn)同樣的適應(yīng)能力.對此,有些生態(tài)學(xué)家提出質(zhì)疑,既然如此,生物個體為何選擇誘導(dǎo)而非組成方式表達(dá)HSP70,呈現(xiàn)對熱脅迫的適應(yīng)呢?觀察表明,在沒有熱脅迫的情況下,擁有額外拷貝的轉(zhuǎn)基因幼蟲其生長和存活率反而下降.定期提供誘發(fā)條件可導(dǎo)致HSP70表達(dá),抵御潛在的致死作用,同時,對適應(yīng)于常溫的發(fā)育程式造成干擾.因此,轉(zhuǎn)基因分析不僅為熱脅迫誘發(fā)HSP70產(chǎn)生提供直接證據(jù),也為發(fā)現(xiàn)進化過程的利益交換(relevanttrade-offs)現(xiàn)象提供機會.2.熱激處理wsp60適合度是由多種組分構(gòu)成,度量物種適應(yīng)能力的綜合指標(biāo).對于急性脅迫(如高溫、干旱或寒凍等)的抗性是一種受熱激反應(yīng)影響的特異性組分,而存活時間(因種而異)則是統(tǒng)計學(xué)意義上的一般性組分.維持體細(xì)胞功能的機制反映了物種生活史存活階段的基本特征.它的優(yōu)化受制于物種的生殖要求,而衰老則是存活和生殖之間利益交換的最佳平衡.例如,有些物種以相對弱的存活力和極強的生殖力呈現(xiàn)強大的生存優(yōu)勢(適應(yīng)),有的恰好相反.為此,老年生物學(xué)家也試圖借助轉(zhuǎn)基因分析驗證這一模式,揭示生活史設(shè)計的遺傳學(xué)本質(zhì).過氧化物歧化酶(SOD)是一種能將過氧化物轉(zhuǎn)變成過氧化氫的生物催化劑.接著,再由過氧化氫酶將其還原成水.如果沒有這種酶,過氧化物的存留將導(dǎo)致累積性細(xì)胞損傷,直到限制個體的功能和壽命.為此,Parkes等利用UAS-GAL4(上游活化位點UAS及其酵母轉(zhuǎn)錄活化物GAL4)系統(tǒng)證明,能讓單個人體SOD-1基因在果蠅神經(jīng)原細(xì)胞組成型過量表達(dá)的轉(zhuǎn)基因果蠅比對照的壽期延長40%.Sun和Tower利用雙重位點轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)(FLP-out),讓銅/鋅過氧化物歧化酶(Cu/Zn-SOD)在轉(zhuǎn)基因果蠅的所有組織中過量表達(dá),結(jié)果其脅迫抗性和壽期都提高48%.這一系統(tǒng)除了能操縱轉(zhuǎn)移基因的轉(zhuǎn)錄時間外,還能有效地控制位置和背景效應(yīng).生物的數(shù)量性狀,如生殖力和壽期都對基因的轉(zhuǎn)移部位非常敏感.有些插入位點能使活性基因發(fā)生分裂性突變,從而使轉(zhuǎn)移基因失去有利效應(yīng).整合位點還能決定轉(zhuǎn)移基因的轉(zhuǎn)錄.這種位置效應(yīng)甚至超出轉(zhuǎn)移基因自身的等位差別.酵母酒精脫氫酶(Adh)基因就是一例.HSP70額外拷貝刪除系統(tǒng)的一個重要特征是,能在熱脅迫情況下測量能和不能過量表達(dá)HSP70基因型果蠅的衰老速率.只要比較擁有HSP70額外拷貝和只有10拷貝的野生型果蠅致死率,就可以知道HSP70轉(zhuǎn)基因?qū)λダ系挠绊?檢測結(jié)果是,短期熱激處理后,在正常溫度下老化,擁有額外拷貝果蠅的死亡率比刪除額外拷貝的對照降低一半.由此表明,HSP70蛋白能提高統(tǒng)計學(xué)意義上的適合度組分——年齡特異的存活時間.此外,操縱HSP70還為直接檢驗衰老演化的拮抗性基因多效(antagonisticpleiotropy)模式提供機會.比較經(jīng)過短期熱激和未經(jīng)熱激的雌蠅,二者產(chǎn)卵數(shù)雖然相同,但卵的活力不同.因此,該系統(tǒng)也能用于檢驗HSP70的表達(dá)是否還和反向母體效應(yīng)有關(guān).3.突變體等位基因的多效性以及回復(fù)突變體收回轉(zhuǎn)移基因的過量表達(dá)是研究適應(yīng)的又一策略,合適的對象應(yīng)是處于線性代謝途徑的基因.按照Kacser和Burns的生化控制模式,處在某一表達(dá)水平的野生型等位基因,可經(jīng)轉(zhuǎn)基因操作而大幅度回落.這樣,就能使某些基因的表型流(phenotypeflax)穩(wěn)定在適度變化范圍,以便核實突變體等位基因的表型功能.擬南芥菜乙酰乳酸合酶(ALS)的點突變體(Crs1-1)在獲得抗除草劑(chlorsulfuron)特性的同時,作為ALS野生型等位基因植株的豐產(chǎn)性卻降低.上述兩種都與適合度有關(guān)的表型互相拮抗,說明該群體中抗性株比例低是由于它們接觸除草劑的機會少.但是,Crs1-1突變體豐產(chǎn)性的下降也可能出于其他原因.比如,和種莢或開花有關(guān)基因本身的多態(tài)性,或與ALS座位緊密連鎖.鑒定突變體等位基因多效性的最佳方法就是將野生型等位基因引入突變體或?qū)@性突變體等位基因引入野生型個體,根據(jù)遺傳互補后產(chǎn)生的表型就能明確該基因的功能.據(jù)此,Bergelson等通過轉(zhuǎn)基因互補,證實了Crs1-1的多效性.因為凡引入Crs1-1的野生型等位基因的植株都獲得了抗chlorsulfuron的特性.大田中種植時種莢減少,合成三種支鏈氨基酸的催化活性水平提高,種子中三種氨基酸濃度也高.雖然,目前尚未搞清三種氨基酸和chlorsulfuron解毒之間的關(guān)系,但已為了解抗除草劑的生化機制提供了途徑.特定基因的轉(zhuǎn)移能對物種發(fā)育或信號傳輸?shù)年P(guān)鍵步驟產(chǎn)生干擾,從而引發(fā)像形態(tài)學(xué)、生活周期(如滯育)及表型可塑性一類大型性狀的變化.莖干延長是許多植物對密植或遮光作出的反應(yīng).這種可塑性的呈現(xiàn)要通過多種光敏色素介導(dǎo),但能被高水平的光敏色素A(PHYA)阻斷.白化苗中PHYA豐富,能調(diào)節(jié)早期生長直到被光解而降低.因此,要確定光敏色素介導(dǎo)的遮光逃避是否為適應(yīng)性,就得證明在可以正常表達(dá)的條件下,缺失這種反應(yīng)的植物其適合度是否降低.Schmitt等的實驗證實,異位表達(dá)燕麥PHYA的轉(zhuǎn)基因煙草遮光時也不能延長.正如預(yù)期的那樣,阻斷遮光反應(yīng)的植株與擁有遮光反應(yīng)的野生型植株在同樣的密集條件下,以干生物量作為適合度指標(biāo),前者明顯低于后者.于是Schmitt等下結(jié)論說,可塑性本身就是一種適應(yīng)性特征,它以產(chǎn)生與新環(huán)境相適應(yīng)的表型方式提高自身的適合度.三、以“勞動”為依據(jù)的制度設(shè)計和群體遺傳設(shè)計,是現(xiàn)代研究的結(jié)果,我國利用轉(zhuǎn)基因研究適應(yīng),顯然有效,但并非沒有限度.首先,要正確評估在最佳人工條件下取得的適合度資料.因為生活史性狀,尤其是年齡特異的存活和豐產(chǎn)性能對溫度、營養(yǎng)及生存密度非常敏感,但我們對此類轉(zhuǎn)基因生物的自然生態(tài)學(xué)仍所知甚少.其次,技術(shù)上的困難是此類研究的又一限制,例如遺傳背景改變,插入位置對轉(zhuǎn)移基因轉(zhuǎn)錄及插入突變的影響都需要對照,滿足這一要求需要有更先進的載體系統(tǒng)和重復(fù)性更好的轉(zhuǎn)基因手段.第三,標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)研究程序應(yīng)讓天然的表型變異與分析存活和生殖的相關(guān)差異互相結(jié)合,以便揭示“選擇”在穩(wěn)定某一特定性狀中的作用.轉(zhuǎn)基因操作使我們能對野生型范圍外表型的適合度進行檢驗.如果轉(zhuǎn)基因表型降低了適合度,那么其結(jié)論是野生型表型是該物種的適應(yīng)形式.借助轉(zhuǎn)基因?qū)?gòu)成適合度的特異基因準(zhǔn)確定位后不僅能鑒別基因的多效性,還能進一步確定表型變異是基因的啟動區(qū),編碼區(qū)抑或拷貝數(shù)變化所引發(fā).總之,轉(zhuǎn)基因分析連同基因型-表型的相關(guān)分析,對應(yīng)生態(tài)學(xué)梯度或選擇作用的基因頻率變化分析,及同位轉(zhuǎn)移等位基因間的實驗競爭分析——群體遺傳學(xué)方法的結(jié)合,終將使我們到達(dá)進化生態(tài)學(xué)的核心目標(biāo),物種的表型設(shè)計如何適應(yīng)于物種的生殖和存活.基因重組體的結(jié)構(gòu)背景效應(yīng)(backgroundeffects):轉(zhuǎn)基因個體的表型不僅取決于轉(zhuǎn)移基因的產(chǎn)物,還和它與其他宿主基因產(chǎn)物的互作相關(guān).因此,轉(zhuǎn)基因個體呈現(xiàn)的遺傳變異是宿主上位背景下和轉(zhuǎn)移基因互作效應(yīng)的體現(xiàn).附加表達(dá)(extopicexpression):轉(zhuǎn)移基因(cDNA)在翻譯(蛋白質(zhì))層次上的表達(dá).cDNA基因可來自同一物種或異種.插入突變(insertmutagenesis):轉(zhuǎn)移基因的整合導(dǎo)致宿主基因突變,原因是宿主基因的轉(zhuǎn)錄受損害.整合序列(integrationsequence):重組載體結(jié)構(gòu)中負(fù)責(zé)cDNA與載體斷開并摻入宿主染色體的序列.這些序列常由于轉(zhuǎn)座子而成為反向重復(fù)序列.位置效應(yīng)(positioneffects):轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)水平因整合位點而異,因為其啟動子的活性隨鄰近DNA序列的不同而改變.重組體載體結(jié)構(gòu)(recombinantvectorconstruct):借助基因工程手段構(gòu)建的具有復(fù)制、運載并整合轉(zhuǎn)移基因功能的DNA片段或質(zhì)粒DNA.選擇標(biāo)志(selectionmarker):與目的基因連接的一段具有編碼某種色素、抗菌素或除草劑抗性的DNA序列.借此可確定目的基因是否摻入細(xì)胞或生物個體.位點特異重組(site-specificrecombination):通過重組酶或源于酵母、原核生物的轉(zhuǎn)基因重組酶靶序列、宿主靶基因同源序列的催化作用,誘發(fā)特異DNA序列發(fā)生交換.借此可插入或刪除轉(zhuǎn)移基因,誘發(fā)染色體交換和所需座位的直接突變.穩(wěn)定和(或)不穩(wěn)定轉(zhuǎn)染(stable/unstabletrans