解密物种内的非遗传性差异 | RSPB 论文推荐

科学家发现了一种幼年时就会主动锻炼的鱼

粉色为骨骼，蓝色为软骨。来源：UMass Amherst

作者 DAVIDNIELD

日期 4 AUG2017

翻译 葛鹏

审校 陈月欣 谭坤

在同一个物种中，个体之间往往也有许多的差异，而其中只有一部分是由遗传密码导致的：一项新的研究揭示了造成生物体差异的另一种途径。

研究人员观察了非洲的丽鱼，发现丽鱼在幼鱼时期通过锻炼双颚来影响头骨的生长，有力地“张开”可以使骨骼更加坚硬。

来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究团队指出，在对物种内不同特征的调查中，这项结果有力地证明了生物的特征并非全部由内在遗传编码传递。

研究人员观察到幼鱼口动（或称为“有力张开”）的情况出现在下颌软骨刚刚成型而骨骼还未固化的时候。

研究团队的一员，进化生物学家 Craig Albertson 说：“我们推测幼鱼这样做是在锻炼它们的双颚肌肉，用这样的方式对与其相连的骨骼施加压力，从而刺激骨骼成型。”

一些鱼的双颚张开频率达到每分钟200次，Albertson 表示研究团队注意到张开的频率从某种程度上可以预示了张开处的骨骼在沉积过程中的差异。

换句话说，双颚的生长方式不仅由 DNA 编码决定，早期的口动行为也促进了骨骼发育。

Albertson 提出：“头骨形状的差异变化高度依赖于遗传，但为何骨骼发育的差异中仅有很少一部分是由遗传变异引起的呢？于是我们在实验室中将研究重点从遗传模型转变为进一步观察遗传与环境之间的相互作用。”

研究人员通过实验发现，降低或增加双颚张开频率对骨骼发育的影响高达15%。相比之下，研究团队在过去的15年间通过基因操纵所发现由遗传控制的骨骼发育变异只有20%，这说明遗传与非遗传产生的影响相当接近。

Albertson 说：“当我宣布研究结果时，同事都非常惊讶，没有想到环境对生物变异的影响程度不亚于遗传，而且这还不是系统性差异，而仅仅体现在影响鱼类摄食的关键骨骼上。”

研究人员提出，鱼类可以通过双颚的张开调整个体对于遗传编码的反应，启动适应表型的形成以应对生存环境，最终将物种的生存机会最大化。

研究团队希望可以在接下来的研究中探索环境中的刺激物如何促进性状的发育，比如头骨形状。研究人员假设物种体内存在可以应对环境变化的特定分子与基因表达，以帮助它们迎接新的挑战。

Albertson 说：“这只是个开始。我们的领域建立起以基因为中心的进化观已有近一个世纪了。我希望这项研究可以为日益增长的文献中增添新的一笔，向大家说明还存在着其他重要的变异来源。”

这项工作发表在 Proceedings of the Royal Society B上。

原文链接：

https://www.sciencealert.com/scientists-unlock-one-of-the-secrets-to-non-genetic-variation-in-a-species

论文基本信息：

【题目】Baby fish working out: an epigenetic sourceof adaptive variation in the cichlid jaw

【作者】Yinan Hu, R.Craig Albertson

【期刊】Proceedings of the Royal Society B

【日期】August 2, 2017

【DOI】10.1098/rspb.2017.1018

【地址】

http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/284/1860/20171018

 【摘要】

Understanding the developmental processes that underlie the production of adaptive variation(i.e. the ‘arrival of the fittest’) is a major goal of evolutionary biology.While most evo-devo studies focus on the genetic underpinnings of adaptive phenotypic variation, factors beyond changes in nucleotide sequence can alsoplay a major role in shaping developmental outcomes. Here, we document avigorous but enigmatic gaping behaviour during the early development of Lake Malawi cichlid larvae. The on set of the behaviour precedes the formation ofbone, and we predicted that it might influence craniofacial shape by affectingthe mechanical environment in which bone develops. Consistent with this, wefound that both natural variation and experimental manipulation of thisbehaviour induced differential skeletal development that foreshadows adaptivevariation in adult trophic morphology. In fact, the magnitude of difference inskeletal morphology induced by these simple shifts in behaviour was similar tothose predicted to be caused by genetic factors. Finally, we demonstrate that this mechanical-load-induced shift in skeletal development is associated with differences in ptch1 expression, a gene previously implicated in mediating between-species differences in skeletal shape. Our results underscore the complexity of development, and the importance of epigenetic (sensu Waddington)mechanisms in determining adaptive phenotypic variation.

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