《自然·生态与进化》：进化过程中只有适者生存？地球古老生物给出另一种可能 - {$web_name} 对小种群的基因库作用很大

《自然·生态与进化》：进化过程中只有适者生存？地球古老生物给出另一种或许
（神秘的地球uux.cn报导）据技术日报（符晓波 曾文萃）：遗传漂变是各异基因型个体生育的子代个体数有所变动而导致的基因频率随机波动。对比自然挑选，遗传漂变是一种随机发生的基因改变，对小种群的基因库作用很大。例如，在一个种群中，圈内消息精选某种基因的频率为1%，假如这个种群有100万个个体，含这种基因的个体就有成千上万个。假如这个种群只有50个个体，那么就只有1个个体具有这种基因。
早在几亿年前就日常在地球上的原绿球藻被觉得是海洋重大的初级生产者，其经由光兴办用每年可固定约40亿吨碳，为海洋碳汇作出重大贡献。
一直以来，学界默认原绿球藻的进化适应过程首要是自然挑选的结局。这一固有认知于近期被打破。厦门大学近海海洋生态科学全国重点评测室（MEL）张瑶教授团队与香港中文大学罗海伟教授团队兴办，历经4年评测探究察觉，在原绿球藻进化过程中，人们所熟知的自然挑选并不如传统认知的那么重大，而一直被忽略的遗传漂变发挥着核心作用。该探究成果在海外期刊《自然·生态与进化》上刊发。
各异生态原绿球藻拥有各异特征
被称为海洋初级生产者的关于成长，我想说：珍惜当下原绿球藻吸收并运用阳光中的能量，从水中分离出氧和氢，使氧气着手在大气中积累，让原本“缺氧”的地球迎来了繁荣的“大氧化”时代，为后续生物进化的高速进展提供了重大条件。其“祖先”早在约25亿年前就着手进化，并在许多方面改变了地球。
在漫长的历史中，原绿球藻遵循怎样的进化机制？弄清这个难题，能够合作人类更好理解海洋生态循环，绿色运用资源。
基因的不断转变促成了物种进化。当下较为普遍的观点觉得，物种基因改变首要归由于自然挑选，即适者生存，进化过程中有利的个体差异和变异被保存下来，而那些有害变异则被自然所淘汰。原绿球藻拥有巨大的种群数量和广泛的海洋地理分布，多年来，学界也一直默认自然挑选在原绿球藻进化适应过程中极其有效。
但是，张瑶教授团队新近探究察觉，原绿球藻虽分布广泛，但各异的豆瓣评分消息小生境被拥有各异代谢特色的孤立种群所占据，各类群之间彼此孤立，不发生基因交流，种群内部基因重组水平较低。“就像是日常在各异区域的人群，会以便适应其所在的生态而拥有各异的特征。”张瑶进一步阐释，在原绿球藻进化过程中，人们所熟知的自然挑选并不如传统认知的那么重大，而一直被忽略的遗传漂变发挥着核心作用。
遗传漂变是各异基因型个体生育的子代个体数有所变动而导致的基因频率随机波动。对比自然挑选，遗传漂变是一种随机发生的基因改变，对小种群的基因库作用很大。例如，在一个种群中，某种基因的频率为1%，假如这个种群有100万个个体，含这种基因的个体就有成千上万个。假如这个种群只有50个个体，那么就只有1个个体具有这种基因。在这种状况下，由于这个个体或许偶然死亡或没有交配，这种基因在种群中消失的独家品牌代言测评概率极大。按照固有观点，自然界较少有很小的种群，所以遗传漂变或许发生的频率很低。近年来，有探究观点觉得，很各式群并不是一个大群体，而是由很多个小种群组成的，彼此存在基因流的集合种群。考量这些小种群进化过程时，遗传漂变则形成不小的作用。
此次这项探究则表明，原绿球藻有效种群规模并不是学界默认的那么大，而是小于许多典型的海洋自由日常菌，所以遗传漂变在原绿球藻进化过程中发挥着核心作用。
那么，如何对日常在海洋中、体积微小的原绿球藻开展探究？如何认识其有效种群规模？有效种群规模又是怎样合作我们知晓原绿球藻进化方式的？
过于微小导致30余年前才被察觉
探究人员说明，有效种群规模是认识原绿球藻种群生态、分子和群体遗传特征的核心参数。明确原绿球藻的有效种群规模，需要先开展突变累积评测，测得原绿球藻精确的突变速率。
该探究经由连续3年的大规模单克隆连续传代，首次开展了原绿球藻的基因突变累积评测，计算出原绿球藻的有效种群规模小于许多典型的海洋自由日常菌，其原绿球藻突变速率低、有效种群规模小的特征颠覆了“原绿球藻的进化由自然挑选主导”的传统认知。
尽管已然是在地球上居住上亿年的古老市民，但由于太小，原绿球藻直到30多年前才被人类察觉。张瑶说，“1毫升的海水里，有多达10万个原绿球藻，但由于它实在是太小了，此前落后的设备和技术无法观测到，导致人们这么晚才认识到它”。
因其特征，培养原绿球藻相当有难度，培养基所使用的海水、固体培养基的琼脂糖浓度、培养时配置的光照强度和温度等因素的细微变动都或许对原绿球藻的生长形成巨大作用，乃至早期学界都觉得它不可培养。经过多年的摸索，如今全全球也只有屈指可数的评测室能把它顺利养活。
为从“进化生态学”的角度厘清海洋初级生产者的进化机制，探究团队不断调试评测参数，克服原绿球藻难以在评测室培养且生长慢慢的艰难，摸索出了一套稳定的单克隆培养计划。这套计划从一个原绿球藻细胞着手开展培养，使之不断分裂，最后形成一个细胞群，而这一群细胞来源于一个共同的祖先细胞。
不只如此，原绿球藻生长周期较长，基因突变的速率很慢，而要掌握原绿球藻在传代中基因突变的数量，需要积累到一定量才能开展有效的统计确认，这使得评测的时长跨越了4年之久。
有些物种或许只是侥幸存活
评测中，探究人员配置由一个细胞起源，接着进展为150个独立细胞系，每个细胞系在1065天内各自单克隆连续传代39次，最后有141个细胞系存活，为后期评测奠定资料扶持。
经全基因组测序确认，评测测得原绿球藻的突变速率处于原核生物的正常水平，这表明原绿球藻并没有由于缺失各式DNA修复酶而获得较快的突变速率。在测得精确突变速率的基础上，该探究对418个原绿球藻基因组开展了严谨的物种确认，并计算出原绿球藻的有效种群规模小于许多典型的海洋自由日常菌。
探究人员进一步确认察觉，广泛分布的原绿球藻具有众多共存的孤立种群，各异的小生境被有各异代谢特色的孤立种群所占据，另外，这些孤立种群内部基因重组水平较低。基于此，探究提出了原绿球藻遗传漂变加强的机制——周期性挑选。在低重组水平的条件下，自然挑选发挥作用时会固定包含长处基因的全部基因组，而淘汰不包含长处基因的全部基因组，从而下降原绿球藻的中性遗传多态性和有效种群规模，强化其遗传漂变的作用。该探究在传统的寡营养生态适应观点之外，为寡营养生态中长处类群普遍的基因缩减现象，提供了一种革新的观点和理论。
“这个全球上有这么多的物种，它们并不一定都是自然挑选选出的佼佼者，有些物种或许只是幸运地存活了下来而已。尽管大众已然普遍理解并笃信了自然挑选的作用，但我们不能所以就忽视遗传漂变的作用。”张瑶强调，当下获得的评测结局，有的符合已有的理论，有的不符合，这是由于理论并非真理，它始终处在动向进展的过程中，需要不断地测试、修正，并在不断修正中进展。（原标题：进化过程中只有适者生存？地球古老市民给出另一种或许）
有关报导：张瑶教授团队揭示海洋最重大的初级生产者原绿球藻的进化适应机制
（神秘的地球uux.cn报导）据近海海洋生态科学全国重点评测室（厦门大学）：12月23日，厦门大学近海海洋生态科学全国重点评测室（MEL）张瑶教授团队与香港中文大学罗海伟教授团队兴办，在Nature Ecology & Evolution（《自然·生态与进化》）发表题为“Prochlorococcus have low global mutation rate and small effective population size”的探究论文。该探究经由连续3年的大规模单克隆连续传代，首次开展了原绿球藻的基因突变累积评测，揭示了原绿球藻突变速率低、有效种群规模小的特征；探究颠覆了“原绿球藻的进化由自然挑选主导”的传统认知，证明了遗传漂变在原绿球藻的进化和生态适应中的重大作用。
原绿球藻是地球上数量最多的光合自养生物，是海洋生态操控系统中极为重大的初级生产者，每年固定约40亿吨碳，在生物地球化学循环中发挥着重大作用。正是由于原绿球藻拥有巨大的种群数量和广泛的海洋地理分布，学界默认其有效种群规模也很大，进而觉得自然挑选在原绿球藻进化适应过程中极其有效，从而忽略遗传漂变作用。原绿球藻基因组小、GC含量低的特色也所以被觉得是自然挑选的结局——适应于寡营养生态。但是，持久以来上述传统观点缺少直接的评测证据，其是否正确一直是学界探究的重大科学难题。
有效种群规模（Ne）是认识原绿球藻种群生态、分子和群体遗传特征的核心参数。明确原绿球藻的Ne，需要先开展突变累积评测测得原绿球藻精确的突变速率。该探究克服了原绿球藻难以在评测室培养且生长慢慢的艰难，首次开展了原绿球藻的突变累积评测。全部评测耗时四年，评测配置由一个细胞起源的150个独立细胞系，每个细胞系在1065天内各自单克隆连续传代39次，最后有141个细胞系存活。经全基因组测序确认，评测最后测得原绿球藻的突变速率为3.50 × 10-10 /site/generation，处于原核生物的正常水平（图a,d），这表明原绿球藻并没有由于缺失各式DNA修复酶而获得较快的突变速率。在测得精确突变速率的基础上，该探究对418个原绿球藻基因组开展了严谨的物种确认，并计算出原绿球藻的Ne为1.68 × 107（图a,b,c）。该Ne值小于许多典型的海洋自由日常菌，这颠覆了原绿球藻Ne巨大的传统认知。
进一步确认察觉广泛分布的原绿球藻具有众多共存的孤立种群，这或许与小生境适应有关——各异的小生境被有各异代谢特色的孤立种群所占据。另外，这些孤立种群内部基因重组水平较低。基于此，探究提出了原绿球藻遗传漂变加强的机制——周期性挑选。即在低重组水平的条件下，自然挑选发挥作用时会固定包含长处基因的全部基因组，而淘汰不包含长处基因的全部基因组，从而下降原绿球藻的中性遗传多态性和有效种群规模，强化其遗传漂变的作用。该探究给寡营养生态中长处类群普遍的基因缩减现象，在传统的“寡营养生态适应”观点之外，提供了一种革新的观点和理论。
厘清原绿球藻的种群进化和生态适应机制，有助于理解原绿球藻如何在启动大洋获得长处并变成海洋生态操控系统中最丰富的自养类群，针对精确理解其在现代海洋元素循环和地球进化史中的地位有重大价值。
该探究得到了全国自然科学基金项目的资助，我评测室博士生陈卓宇（受国重室优秀博士生奖学金资助）与香港中文大学王晓君博士为论文共同第一作者。香港中文大学罗海伟教授和我评测室张瑶教授为论文共同通讯作者。
论文来源：Z. Chen^, X. Wang^, Y. Song, Q. Zeng, Y. Zhang*, and H. Luo*. 2021. Prochlorococcus have low global mutation rate and small effective population size. Nature Ecology & Evolution, DOI: 10.1038/s41559-021-01591-0
全文链接：https://rdcu.be/cDLSh