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非模式生物演化发育生物学步入新时代

已有 912 次阅读 2020-6-19 17:13 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

近日,中国科学院动物研究所魏辅文院士应邀在SCIENCE CHINA Life Sciences(《中国科学:生命科学》英文版)上发表了题为“A new era for evolutionary developmental biology in non-model organism”的Insight文章。

自《物种起源》发表以来,演化生物学已成为生命科学领域的基石,并先后经历了几次重要的扩展,整合了孟德尔遗传学定律,摩尔根的染色体遗传机制和克里克的中心法则等。特别是近年来组学技术和基因编辑技术的飞速发展,为演化生物学研究带来了新的机遇和挑战。越来越多的学术期刊、研究团队和基金资助投入到该领域的研究中,如国家自然科学基金委员会和中国科学院分别启动了“微进化过程的多基因作用机制”重大研究计划和“动物复杂性状的进化解析与调控”战略性先导科技专项,极大地推动了演化生物学的发展。

生命演化过程中曾发生过若干性状创新的重大事件。例如,动植物登陆伴随着一些重大创新性状的出现,如动物四肢、肺、胎盘、羽等,以及植物的花、果、维管等,为其进一步辐射演化和适应性演化奠定基础。然而,解析重要性状的起源与演化,理解其发育过程与表型变化之间的关系,离不开发育生物学的理论框架和技术手段的支撑。只有将发育生物学与演化生物学相互整合,相辅相成,才能全面解析关键创新性状的起源和演化机制。

基于此,魏辅文院士提出演化发育生物学(evolutionary developmental biology,以下简称evo-devo)已步入新时代,需进一步加强对非模式生物evo-devo的相关研究,以丰富现代综合演化理论。

文中概括了现代evo-devo的3个发展历程。第一阶段是鉴定了大多数后生动物中常见保守性状的调控基因;第二阶段是揭示形态多样性是如何通过基因网络调控而演化和发育的;第三阶段是当下多组学和基因编辑技术的引入进一步增进对evo-devo机制的理解。

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同时,文章总结提出了目前有三大驱动力推动evo-devo迈入新时代。第一,多学科交叉融合已成为21世纪生命科学领域的主流。遗传学、分子生物学、发育生物学、系统生物学、生物地理学和生态学等学科的创新技术和方法,将为evo-devo的发展提供强大的推力,有助于深刻理解创新性状的起源和演化;第二,随着新一代测序技术的发展和应用,多组学技术为全面揭示evo-devo的分子机制提供了有效手段,大量候选调控基因被发掘;第三,基因编辑技术已逐步应用于非模式生物的基因功能研究中,为候选基因的功能验证提供了重要方法。

目前,evo-devo在非模式动物和植物研究中取得了许多突破性进展,包括动物肢端发育和植物花的多态性等,但仍需在以下几个方面进一步加强:加强开发新的计算方法和软件,以促进对关键创新性状分子机制的解析;新的技术和方法的应用,如单细胞测序、古DNA或古蛋白质测序以及人工智能(AI)等,以回答该领域更多挑战性的问题;及时更新演化发育生物学的理论框架,加强与现代综合演化论的整合,促进evo-devo的发展;加强生态学与evo-devo的整合,阐明生态因素对表型可塑性的影响;全面深刻理解物种和性状多样性的起源和演化需要多领域跨学科的交叉合作。



文章信息:[点击下方链接可获取全文] 

Wei, F. (2020). A new era for evolutionary developmental biology in non-model organisms. Sci China Life Sci 63, https://doi.org/10.1007/s11427- 020-1748-0


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