进化通常被认为是一个缓慢的过程，性状的变化可能需要经历成千上万代才会出现。虽然近年有研究表明，一些特定的性状对新环境的适应性似乎可以在很短的时间内出现。然而，很少有微生物之外的研究能明确证明，自然选择是如何快速地塑造整个基因组的。
在适应过程中，自然选择对基因组的遗传变异的调节速度究竟有多快？这个问题在很大程度上还没有得到全面的实验研究。在一项新的研究中，瑞士巴塞尔大学环境科学系的研究人员以当地的三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）作为生物模型，通过实验分析了栖息在博登湖的不同区域中的三刺鱼，发现了快速适应的遗传基础。
这项为期五年的研究结合了实验室工作、野外实验、数学建模和基因组分析。他们的研究结果表明，从基因组层面上看，自然界中的适应性可以在一代的时间内就被检测到。研究人员将实验方法详细的发表在了近期的《自然通讯》杂志上。
三刺鱼是刺鱼科的一种鱼类，它们在湖泊和溪流中的栖息，使它们进化出了独特的生态型。位于阿尔卑斯山脚的博登湖中的三刺鱼就出现了这种不同的适应现象，这种生态多样性反映在湖泊和溪流生态型在一些特征上的差异，比如觅食和捕食者防御形态，以及生命周期等特征上。
很显然，博登湖区域中出现的湖泊和溪流生态型，无疑是适应性进化造成的结果。此前的一些研究已经表明，溪流中的三刺鱼始终优于湖泊中的三刺鱼，而且这种适应性差异具有很强的遗传基础。
○ 博登湖区域中的两种不同生态型的三刺鱼，它们分别在特定栖息地的影响下进化。左边是湖泊中的三刺鱼，右边为溪流中的三刺鱼；上排为雌鱼，下排为雄鱼。| 图片来源：Daniel Berner / 巴塞尔大学
在新的研究中，研究人员试图从分子层面上，了解在基因组水平上适应的模式和速度。因此，他们通过实验设计，将快速的生态适应与基因组范围内的遗传变异频率的变化联系起来。
他们在实验室中让生活在湖泊中和溪流中的鱼类进行了几代杂交，让这两种生态型的基因组混合在一起，从而形成一个基因多样化的实验种群。接着，他们进行了野外实验，将3000条这种实验室杂交幼鱼放生到了一条没有刺鱼的天然溪流中，让它们面临自然选择。一年后，他们将这条溪流中的“幸存”鱼重新捕捞上来，并对它们进行基因检测。
○ 研究人员将3000条实验杂交鱼放生到一个没有三刺鱼的天然溪流栖息地中。| 图片来源：Dario Moser / 巴塞尔大学
这项研究中存在一个关键的实验假设，那就是如果自然选择可以驱动一个实验种群在一代的时间内出现等位基因频率变化，那么这些变化可能是非常细微的，以至于难以通过比较选择之前和选择之后的实验种群来发现变化。
因此，为了记录基因组中可能出现的变化，研究人员首先需要识别出最有可能成为自然选择目标的基因组区域。他们使用原始种群的基因组数据，比较原始湖泊和河流中的种群基因，发现了数百个可能对适应湖泊和溪流环境很重要的基因组区域。接下来，他们将在野外生存了一年之久的种群的基因序列与原始的实验室杂交鱼的基因序列进行对比，以此来确定这些候选基因组区域中的基因变异频率的变化。
最终的数据结果支持了他们的假设：平均而言，向溪流种群的变异的频率增加了约2.5%，而向湖泊变异的频率则减少了。这种差异乍看之下可能很小，但如果经历几十代的变化，就会表现得非常明显。
这样的结果表明，这种进化可以在我们眼前迅速发生，而且如此之快的变化不仅仅出现在微生物中，也可以发生在动物物种身上。对于具有这种快速进化机制的物种来说，它们或许能更好地应对当前由人类造成的环境巨变。
参考来源：https://www.unibas.ch/en/News-Events/News/Uni-Research/Rapid-evolution-in-fish--genomic-changes-within-a-generation.htmlhttps://www.nature.com/articles/s41467-020-15657-3
发表于 2020-4-29 08:37
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