揭示了5亿年进化过程中节肢动物基因组的多样性

时间:2020-03-21 20:14 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

揭示了5亿年进化过程中节肢动物基因组的多样性

由瑞士SIB生物信息学研究所和瑞士洛桑大学共同领导的一个国际科学家小组在《基因组生物学》杂志上报告了一个试点项目的结果,该项目启动了对数千只节肢动物的全球测序计划。对跨越5亿年的76个物种的比较分析揭示了动态的基因组变化,指出了它们成功背后的关键因素,并开辟了许多新的研究领域。

朋友和敌人,节肢动物统治着世界

节肢动物是地球上物种最丰富、最多样化的动物群体,在5亿多年的进化过程中,它们进行了大量的适应,从而得以利用所有主要的生态系统。它们在我们星球的健康生态中扮演着重要的角色,通过授粉和生物废料回收,或者破坏农作物和传播疾病,它们对人类的成功既有利又有害。沃特豪斯解释说:“通过对它们的基因组进行排序和比较,我们可以开始确定它们进化成功背后的一些关键遗传因素。但现代人类活动的影响会终结它们的统治吗?还是它们的适应和创新能力会确保它们的生存?”

i5k试点项目:启动节肢动物基因组测序

i5k计划对5000种昆虫和其他节肢动物的基因组进行排序和注释,该计划于2011年在给《科学》杂志的一封信中启动。从一开始,该项目就旨在支持新基因组资源的开发,以理解节肢动物的分子生物学和进化。从那时起,i5k已经发展成为一个广泛的科学家群体,他们使用基因组学研究昆虫和其他节肢动物,从基础动物生物学到对生态和环境的影响,以及对人类健康和农业的影响。为了启动i5k,在贝勒医学院启动了一个由Stephen Richards领导的试点项目,对从787个社区提名中精心挑选的28种不同节肢动物的基因组进行排序、组装和注释。

大规模多物种基因组比较

“来自i5k试点项目的数千个基因的识别和注释大大增加了我们目前对节肢动物的基因组取样,”沃特豪斯说。将这些与之前的基因组序列结合起来,研究人员对76种不同的物种进行了大规模的比较分析,包括苍蝇、蝴蝶、飞蛾、甲虫、蜜蜂、蚂蚁、黄蜂、真虫、蓟马、虱子、蟑螂、白蚁、蜉蝣、蜻蜓、豆娘、刺尾、甲壳纲、蜈蚣、蜘蛛、蜱、螨和蝎子。来自美国印第安纳大学的博士生Gregg Thomas和来自德国明斯特大学的Elias Dohmen使用注释的基因组进行了100多万个节肢动物基因的计算进化分析。

动态基因家族进化——成功的关键?

该团队的分析集中在追踪基因进化历史,以估计5亿多年来基因含量和基因结构的变化。这使得在每一个主要的节肢动物亚群之间和它们的内部,都能识别出那些在大小上大幅度增加或减少、或新出现或消失、或蛋白质结构域重新排列的基因家族。基因家族被发现是最动态变化的编码蛋白,这些蛋白参与消化、化学防御、构建和重塑几丁质(节肢动物外骨骼的主要部分)的功能。消化过程的适应性和中和有害化学物质的机制无疑为节肢动物提供了很好的服务,因为它们征服了各种各样的生态位。也许更重要的是,分段的身体计划和动态可重构的外骨骼带来的灵活性使它们能够通过身体适应新的生态系统而茁壮成长。

通过发明和再利用进行创新

新进化的基因家族还反映了已知在不同节肢动物群体中重要的功能,如视觉学习和行为、信息素和气味探测、神经元活动和翅膀发育。这些可能增强食物定位能力或微调物种的自我识别和交流。相比之下,在昆虫的祖先中,几乎没有什么变化是完全变态的:从幼体到发育完全的成体(就像毛毛虫变成蝴蝶一样)的巨大变化。这在传统上被认为是昆虫进化的重要一步,从最初的发育到逐渐的若虫阶段,直到最终达到成虫阶段。沃特豪斯解释说:“这些发现支持了这样一种观点,即这种关键的转变更有可能是通过重新连接现有的基因网络或利用现有基因构建新的网络来实现的,这是一种用新技术换旧基因的情况。”

对节肢动物生物学和进化的基因组研究

几个详细的个人i5k物种的基因组研究都集中在他们的迷人的生物特征如摄食生态和发育生物学的马利筋bug,杀虫剂耐药性,血喂养,和创伤性的臭虫,细菌和真菌的水平基因转移和消化的植物材料由亚洲长角甲虫,和parasite-host交互和潜在的疫苗羊绿头苍蝇。这些联合分析揭示了动态变化和新出现的基因家族,将激发新的研究领域。“我们可以把这些假设带进实验室,利用它们直接研究基因组是如何以一种其他任何动物群体都无法达到的分辨率翻译成可见形态的,”来自以色列耶路撒冷希伯来大学的共同首席作者Ariel Chipman说。新的资源极大地推进了在我们的星球上建立一个全面的生命基因组目录的进程,有超过一百万个已描述的节肢动物物种,估计有七倍之多,显然还有大量的东西有待发现!

节肢动物基因组学的下一步

更有效和更经济的DNA测序技术意味着新的雄心勃勃的计划已经开始对更多的节肢动物基因组进行测序。其中包括全球蚂蚁基因组联盟和全球无脊椎动物基因组联盟,以及达尔文生命之树项目,目标是所有已知物种的动物在不列颠群岛,和全球网络的社区协调地球BioGenome项目(EBP),旨在地球所有的真核biopersity7序列。EBP的目标还包括造福人类福祉,其中节肢动物的作用是明确的,隐藏的好处可能是巨大的,以及保护生物多样性和了解生态系统,在那里,有关节肢动物数量下降的令人震惊的报告是一个优先事项。理查兹总结说:“因此,i5k试验项目的完成是在加强努力开发我们星球上全面的生命基因组目录方面取得进展的一个重要里程碑。”

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