『減少即是增加』——基因天然功能缺失突變也是一種適應策略

中科院植物所郭亞龍研究組發表「 『減少即是增加』——基因天然功能缺失突變也是一種適應策略」綜述文章

來源 | Mol Plant植物科學

編輯 | 奕梵

基因的獲得和丟失在生物進化過程中起著重要的作用。在過去的二十多年中，基因複製以及新基因產生對生物進化的重要意義被受關注。「減少即是增加（less is more）」假說提出，基因丟失也會對生物的生存及繁衍產生有利的影響。在自然群體中，基因的功能缺失變異（提前終止密碼子、移碼突變、剪切位點改變和起始密碼子丟失）會導致基因功能失活，是天然突變體（圖1）。

圖1. 基因功能缺失變異的類型

中國科學院植物研究所郭亞龍研究組在繼2019年5月發表了植物裡利用自然群體基因組開展功能缺失變異的研究論文 Adaptation and phenotypic diversification in Arabidopsis through loss-of-function mutations in protein-coding genes 之後，於2020年8月13日，在Plant Communications上發表了題為Less is more, natural loss-of-function mutation is a strategy for adaptation 的綜述，對功能缺失變異的研究歷史、進展、存在的問題及其對相關研究領域的影響進行了系統深入的總結和思考。

功能缺失變異在各個物種的自然群體中普遍存在。天然功能缺失變異為研究基因功能提供了天然的突變體庫。而且，群體水平的功能缺失變異研究為必需基因（生物生存必需的基因）研究提供了研究體系。在群體水平，當某個基因在所有的個體中均沒有發生基因功能缺失突變，則說明該基因很可能對於生物的生存繁衍十分重要，是必需基因，發生變異後會產生不利的後果，帶有這種變異的個體隨後會被自然選擇清除掉。

在基因組中大部分的功能缺失突變是中性甚至有害的，然後也有一些缺失變異具有選擇優勢，對生物生存適應有利。特別是在群體擴張過程中，有些基因發生了功能缺失變異之後，可能會帶來有利的影響，並促進個體適應新生境（圖2）。

圖2. 功能缺失變異促進物種適應性

儘管功能缺失變異在不同物種中已取得一系列進展，但仍然存在許多缺陷或問題。第一，基因功能缺失變異研究仍然是基於一個參考基因組的鑑定，會產生參考基因組偏好性（漏掉了參考基因組中發生功能缺失變異的基因），而利用多套參考基因組（泛基因組）可以為功能缺失變異的鑑定提供更加全面的信息。第二，在基因功能缺失變異發生之後，對相同代謝途徑中其他基因的影響如何並不清楚。當一個基因發生變異並失活之後，與該基因所處的相同功能途徑中其他基因也可能會隨即失活，可能會導致生物進化的不可逆性；另一方面，當功能重要基因發生了功能缺失變異之後，在環境壓力下，可能會發生回復突變，使基因恢復或者部分恢復原有功能。第三，有些必需基因發生功能缺失變異後，攜帶該突變體的個體仍能存活，其機制仍不清晰。第四，目前大多數功能缺失變異的研究聚焦於基因編碼區，而忽略了基因調控區的變異也能導致基因失活，調控區的研究應得到重視。第五，功能缺失變異對於作物的遺傳改良具有重要意義，但這方面的研究仍很不夠。

該綜述強調了功能缺失變異對於表型多態性和適應性的重要意義，並指出在快速的氣候變化過程中，功能缺失變異可能帶來有利影響，對於作物的育種改良具有重要意義。

郭亞龍研究組特別研究助理徐永超博士為第一作者，郭亞龍研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委員會、中科院戰略性先導科技專項、中科院種子創新研究院的支持。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2020.100103