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生物学家发现了对哥伦拜恩标志性马刺的发展至关重要的基因

有时,在生命的历史中,一种新的性状会进化,从而导致一组生物体内的多样性激增。以机翼为例。进化出它们的每组动物都进化成许多不同的物种,如鸟,蝙蝠,昆虫和翼龙。科学家称这些为“关键创新”。

了解关键创新的发展对于了解地球上惊人的有机体的进化至关重要。其中大多数发生在遥远的过去,使它们很难从遗传学角度进行研究。幸运的是,在过去的几百万年中,有一组植物获得了这种特性。

哥伦宾犬,加上其优雅的花蜜刺,为科学家们提供了一个机会来研究支持一项关键创新的遗传变化。经过大量研究,加州大学圣塔芭芭拉分校的教授Scott Hodges,研究助理Evangeline Ballerini和他们在哈佛大学的合著者已经确定了对这些结构的发育至关重要的基因。并且据他们所知,这是已经鉴定出关键发育基因的首批关键创新之一。他们的发现发表在PNAS杂志上。

研究人员以圣安东尼奥马刺篮球队主教练格雷格·波波维奇(Gregg Popovich)命名该基因。Ballerini解释说:“该基因是一个转录因子,这意味着它可以通过调节其他基因的活性来控制co骨的骨刺发育。” “所以我之所以选择POPOVICH这个名字,是因为作为教练,波波维奇在某种意义上通过调节球员的活动来控制圣安东尼奥马刺队的发展。”

哥伦比人祖先的马刺进化似乎导致了该属的迅速扩展。在过去的5到700万年中,大约有70个物种进化,而其无毛的姊妹属只有4种。

co不是唯一带有马刺的花。该性状在包括金莲花,百灵鸟和凤仙花在内的许多不同植物中独立地进化。霍奇斯说:“在每个族群中,有马刺的人比没有马刺的近亲拥有更多的物种。”

巴拉里尼说:“我们认为多样性与马刺的进化有关,因为马刺产生的花蜜吸引着动物的授粉媒介。” 改变骨刺的长度或形状会改变能给花授粉的动物。“蜜蜂只是在蜂花之间移动花粉,蜂鸟只是在蜂鸟花朵之间移动花粉,因此您不会在这两个不同种群之间交换基因。” 最终,两者可以分裂成不同的物种。

研究人员试图回答的问题是,此类创新首先是如何发展的。霍奇斯说:“如果我们能找到对关键创新发展至关重要的基因,那将有助于我们理解这种过程。”

他补充说:“在大多数情况下,例如在鸟类,蝙蝠和昆虫的机翼例子中,它们进化得很早,以至于很难找到对进化该特性至关重要的特定基因。” “在这里,我们只有5到700万年前才有一项关键创新的起源,这是一个相当简单的特征,所以它要简单一些。”

寻找POPOVICH

由于columbines是最近进化的,因此它们中的大多数可以彼此形成可育的杂种。在1950年代和60年代,一位波兰遗传学家将其表兄弟姐妹与一个无刺的物种(适当地称为无刺的哥伦拜因)杂交。她发现在第一代后代中都有马刺,但是自花授粉产生了第二代,在四分之一的植物中再次出现了无刺毛。

大约半个世纪后,这一比例对霍奇斯和芭蕾舞女演员的作品至关重要。这个简单的分数表明单个基因控制着马刺的发展。但是,columbines大约有30,000个基因,而他们所寻找的只有一个基因。

跟随他的前任的脚步,霍奇斯还用一种被刺激的物种越过了无刺的哥伦拜恩,然后对其后代进行了自花授粉。但是与以前的实验不同的是,Balerini和Hodges现在有了搜索植物遗传密码的工具。

芭蕾舞女演员对近300株第二代植物中的每一种进行了基因组测序,并寻找无毛植物从其无毛祖父母那里继承了两个拷贝的实例。这将搜索范围缩小到了一种植物染色体上的约1,100个基因。

仍然有1,100个基因需要分类。巴拉里尼说:“不能保证这些方法会导致我们找到我们想要的基因。” “在所有的实验和分析中肯定有很多工作要做,但最后还是有些运气。”

芭蕾舞女演员检查了无刺的哥伦拜恩人和其他三个受刺激物种中花瓣早期发育五个阶段的基因表达。她对每个阶段打开的所有基因进行了测序,寻找无毛植物和带毛植物之间的一致差异。最终,在哈佛大学一位合作者的帮助下,芭蕾舞女演员怀疑她已经确定了正确的基因。它总是在无毛种中关闭,在有毛种中打开,并且是先前在遗传杂交中鉴定为与无毛花相关的1100个基因之一。现在该验证她的假设了。

她使用转基因病毒敲低了该基因以及产生红色色素的关键基因的表达。这样一来,他们只要看一下颜色就能分辨出哪些花瓣受到了影响。

在POPOVICH边上的任何地方,花都会长出细小的马刺。但是支线长度取决于细胞的数量和大小。因此,研究人员与合作者一起计算了组成这些细小马刺的每个细胞的数量并测量了它们的长度。

霍奇斯指出:“较长的马刺具有更多的细胞,较短的马刺具有更少的细胞。” “因此,该基因一定是通过影响产生多少细胞而起作用的。”

芭蕾舞女演员记得完成最后的分析后坐在办公室里。她开始向潜在的体育爱好者研究生扎克·卡宾(Zac Cabin)抛出潜在的基因名称。她回忆说:“与此同时,扎克和我互相转身,都说'POPOVICH!'。” 这个名字似乎很合适。“而且,如果我们确定其他基因在马刺发展中发挥作用,那么我们就有可能以马刺中的一些参与者的名字命名它们。”

通往新发现的道路

虽然确定POPOVICH当然是一项成就,但这项发现的真正价值在于它揭示了关键创新的演变。在进行这项工作之前,没有一个具有著名基因组的植物群也没有产生马刺。霍奇斯说:“我们不知道从哪里开始。” “这一发现为我们提供了立足之地。”

他补充说:“一旦我们确定了一个基因,就像这个基因,这似乎是马刺形成过程中的关键,那么我们就可以开始找出所有的成分了。” 该小组现在可以开始研究POPOVICH调控哪些基因,以及哪些基因调控POPOVICH。“这是一个开始了解整个系统的地方。”

尽管研究人员不知道POPOVICH在其他植物群中如何发挥作用,但它似乎会影响在三叶草上生长的小叶数量。哥伦比斯在其叶片中也表达该基因。Ballerini建议,也许是从叶子中吸收到花瓣发育。

她解释说,新颖的改编并非无所不在。“当您在开发一个新结构时,通常不会在开发一个全新的基因。” 通常,生物对现有基因进行重新用途或增加用途。

这组作者还对鉴定参与第二阶段支点形成的基因感兴趣:支点杯中细胞的伸长。

霍奇斯说:“现在,我们已经确定了这个基因,就要做这些事情。” “而且由于它是一个转录因子,它必须具有受其影响的特定基因。下一步的逻辑步骤是确定该基因的靶标,这将使我们更加了解其功能。”

研究人员对Harvey Karp表示感谢,他慷慨地资助了Karp发现奖,使他们的研究成为可能。巴拉里尼说:“没有它,我们真的无法完成这个项目。”

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