Science: 促進基因多樣性可以拯救瀕危生物嗎?也許會適得其反!

2021-01-16 生物谷


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不斷擴大的全球人類足跡正在將世界動植物劃分為越來越小、越來越孤立的種群，這些種群可能會因為近親繁殖、疾病或環境變化而滅絕。幾十年來，環保人士一直在提議通過從更多的人口中引進新的血液來振興這些頑固分子。但他們想知道這是否真的有效，以及如何在不破壞處於危險中的群體的基因特性和獨特適應性的情況下做到這一點。上個月舉行的2019年進化大會上，研究人員描述了基因組工具是如何改進所謂的基因拯救的。
儘管動物園一直在努力通過仔細匹配個別動物進行繁殖來保持瀕危物種的遺傳多樣性，但這種策略在自然界中很少被嘗試過。基因拯救"應該更頻繁地嘗試，"密蘇裡州蒙大拿大學(University of Montana)的保守基因組學家Andrew Whiteley和他的同事上周在《生態與進化趨勢》(Trends in Ecology and Evolution)雜誌上寫道。但要想證明它的有效性，需要對好幾代生命進行數年的跟蹤，這是很少有研究嘗試過的。研究人員直到最近才能夠在分子水平上探測到發生了什麼。現在，密西根州立大學(MSU) W. K. Kellogg生物站的進化生物學家Sarah Fitzpatrick說，"我們有基因組工具來研究這些種群……以我們以前從未有過的方式。"佛羅裡達州立大學與Fitzpatrick合作的自然保護生物學家Brendan Reid說，在Trinidad對野生孔雀魚進行的長期實驗進化研究表明，為小種群注入新鮮血液確實有幫助。幾十年前，研究人員在這個多山的國家的兩條溪流的源頭播種了取自遙遠棲息地的孔雀魚。在一條小溪裡，被轉移的魚必須走很長的路，只能緩慢地向下遊的一小群孤立的魚遊去。在另一條小溪裡，這些魚更快地加入了另一個孤立的群體。在兩年半的時間裡，Fitzpatrick和她的同事們每個月都要捕捉、標記並研究他們在這些孤立群體的領地上能找到的所有魚類，然後再把它們放回溪流。他們在大約七代的時間裡追蹤了這種魚的生長、生存和遺傳多樣性。在這兩條河流中，種群數量增加了10倍，遺傳多樣性增加了一倍。Reid在會議上報告說，後代更加多產，許多最健康的後代是當地和外來魚類的雜交後代。但研究結果也發出了警告。在第二條河流中，新魚的快速注入幾乎完全消滅了土著魚--自然資源保護主義者通常希望避免這種結果。Fitzpatrick說，這一結果表明，"少量移民可能是更好的選擇"。另一項基因組研究顯示，一些小群體經歷了自然的基因拯救--並從中受益。紐約羅徹斯特大學的種群遺傳學家Nancy Chen和她的團隊研究了瀕臨滅絕的佛羅裡達叢林鴉(Aphelocoma coulescens)，它們的數量已經減少到幾千隻，分布在幾百個地點。50年來，研究人員定期對佛羅裡達州Placid湖附近Archbold生物站發現的所有叢林鴉進行統計和評估。最近，他們收集了每隻鳥的血液樣本，這使得陳和她的同事能夠跟蹤基因隨時間的變化。研究小組發現，這些鳥群體天生就能緩慢地注入新鮮血液。通常情況下，鳥類會從幾公裡外的小群體中緩慢進入。新來者的基因多樣性不如那些已經在那裡的鳥，但因為他們來自不同的群體，他們有助於保持居民群體的多樣性。然而，由於鳥類數量的下降，近年來抵達的鳥類越來越少，這種多樣性正在下降，使鳥類面臨滅絕的危險。"來自小群體的基因流動可能真的很重要，"她在會議上總結道。大多數生物學家認為，人口越多，新生血液的來源就越好。但加州大學洛杉磯分校(University of California， Los Angeles)的研究生Chris Kyriazis使用計算機模型研究了隱藏在源種群中的有害突變的影響。因為只有當父母雙方都將這種突變傳遞給後代時，這種突變才有可能是有害的，因此它們很可能從歷史上規模較小的近親繁殖種群中被淘汰，並在更大的種群中持續存在。Kyriazis在會議上以及bioRxiv上發表的一篇預印本上報告說，他的模型表明，中等規模的種群，而不是最大的種群，可能是基因拯救的最佳來源。有時，基因組結果顯示，這種拯救策略可能適得其反。加州Santa Catalina島上只剩下1000隻島狐，其中60%患有影響耳朵的癌症。來自莫斯科愛達荷大學的進化生物學家Paul Hohenlohe發現了許多使狐狸易患癌症的基因，他想知道狐狸是否是基因拯救的候選對象。但他在會議上報告說，他發現Santa Catalina狐與可能是新血液來源的鄰近種群相比，具有遺傳優勢：它們的基因組有更多的變異，包括癌症基因。此外，Santa Catalina狐狸比其他狐狸更能適應島上炎熱乾旱的氣候，其中許多狐狸生活在更潮溼、更涼爽的島嶼上。因此，他建議順其自然，觀察狐狸是否最終進化出了對癌症的抵抗力。這些研究正在幫助振興一項許多人認為迫切需要的戰略。Fitzpatrick說："這個問題的緊迫性和工具的可用性使它成為一個真正令人興奮的時刻。"

參考資料：

【1】Elizabeth Pennisi. Boosting genetic diversity may save vanishing animal populations. But it may also backfire. Science. 2019. doi：10.1126/science.aay7653

【2】Elizabeth Pennisi. The Great Guppy Experiment. Science  24 Aug 2012：Vol. 337， Issue 6097， pp. 904-908 DOI：10.1126/science.337.6097.904

【3】Donovan A. Bell et al. The Exciting Potential and Remaining Uncertainties of Genetic Rescue. Trends in Ecology and Evolution. DOI：https：//doi.org/10.1016/j.tree.2019.06.006

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