长达十年的研究挑战了传统的进化论观点

诸平

Fig. 1 Arizona State University scientists studied genetic variation in the water flea Daphnia pulex, finding that natural selection on individual genes fluctuates significantly over time, even in stable environments. This research suggests that ongoing genetic variation helps species remain adaptable to future environmental changes, challenging traditional views on natural selection.

Fig. 2 Daphnia, a form of zooplankton, have fascinated biologists for centuries due to their crucial role in aquatic ecosystems and ability to adapt to environmental stressors. A new study explores DNA samples from nearly 1,000 Daphnia, revealing new subtleties in the evolutionary processes of natural selection. Credit: Graphic by Jason Drees

Fig. 3 Michael Lynch directs the Biodesign Center for Mechanisms of Evolution at Arizona State University. Credit: The Biodesign Institute at Arizona State University

据美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）2024年9月15日提供的消息，长达十年的研究挑战了传统的进化论观点（Decade-Long Study Challenges Traditional Views of Evolution）。研究揭示了随着时间的推移，环境变化对遗传变异的影响。

在一项新的研究中，来自亚利桑那州立大学的科学家和他们的合作者，研究了自然隔离的一种水蚤(Daphnia pulex)的遗传变化。这种微小的甲壳类动物，肉眼几乎看不见，在淡水生态系统中起着至关重要的作用，并为自然选择和进化提供了宝贵的见解。

他们的研究结果于2024年7月3日已经在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences简称PNAS) 网站在线发表——Michael Lynch, Wen Wei, Zhiqiang Ye, Michael Pfrender. The genome-wide signature of short-term temporal selection. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(28): e2307107121. DOI: 10.1073/pnas.2307107121. Published: 3 July 2024. https://doi.org/10.1073/pnas.2307107121

参与此项研究的除了来自美国亚利桑那州立大学的研究人员之外，还有来自美国圣母大学（University of Notre Dame）和中国武汉的华中师范大学（Central China Normal University, Wuhan, China）的研究人员。 此成果是基于十年的研究。利用先进的基因组技术，研究小组分析了近1000只水蚤（Daphnia）的DNA样本。

他们发现，个体基因的自然选择强度每年都有显著变化，通过为自然选择提供原材料，保持变异并潜在地增强适应未来不断变化的环境条件的能力。

在看似稳定的环境中，随着时间的推移，特定染色体区域的等位基因变异频率会出现显著波动，即使多年来选择的总体强度平均保持在接近零的水平。这表明，这种遗传变异使种群能够保持对环境变化的适应性。

这项研究的第一作者迈克尔·林奇(Michael Lynch)说：“这项研究第一次让我们看到，即使在看似恒定的环境中，基因频率的时间变化也会发生，这是一种分布在基因组中的遗传变异的持续波动。”迈克尔·林奇是进化机制生物设计中心（Biodesign Center for Mechanisms of Evolution）的主任，也是亚利桑那州立大学生命科学学院（School of Life Sciences at ASU）的教授。该研究的其他研究人员包括来自亚利桑那州立大学、华中师范大学和圣母大学的同事。

选择的力量（The power of selection）

水蚤是一种浮游动物，由于其在水生生态系统中的关键作用和适应环境压力的能力，几个世纪以来一直吸引着生物学家。水蚤不仅具有多代遗传研究的价值，而且由于其无性繁殖周期快，对各种环境污染物敏感，被广泛用于淡水毒性测试的模式生物。

这种微小的生物是鱼类的重要食物来源，有助于控制藻类的生长。它们快速适应环境变化的能力可以为其他物种提供线索，包括那些对人类食物供应重要的物种如何应对污染、气候变化和其他人类引起的压力源。

在研究期间，水蚤基因组上的大多数位点都经历了不断变化的选择压力。平均而言，这些压力趋于平衡，几乎没有整体影响，这意味着没有单一的选择方向会长期占据主导地位。相反，特定性状的遗传优势或劣势从一个时期变化到下一个时期。

这些发现挑战了传统观念，即测量遗传多样性(种群中不同特征的范围)和遗传差异(种群之间的差异)可以很容易地显示自然选择是如何持续运作的。相反，自然选择的运作似乎比以前认为的更加微妙和复杂。

重新思考遗传变异（Rethinking genetic variation）

这项研究开辟了新的领域，精确地指出了选择压力在基因组中发生的时间和地点。除了已知的受自然选择强烈影响的性状外，关于自然种群中等位基因频率如何随时间变化的信息很少。

对水蚤（Daphnia pulex）种群近1000个基因样本进行的多年全基因组分析表明，大多数遗传位点经历了不同的选择，平均效应接近于零，这表明在不同的时间里几乎没有一致的选择压力，选择分布在许多基因组区域。这些发现挑战了遗传多样性和分化作为随机遗传漂变（random genetic drift）和选择强度（selection intensity）指标的通常理解。

变异与生存（Variation and survival）

观察到的不同基因位点的选择模式提供了一种维持遗传多样性的机制，这是快速适应所必需的。该研究还揭示了染色体上彼此靠近的基因倾向于以协调的方式进化。这种联系允许有益的基因变异组合一起遗传，潜在地加速了适应过程。

这种效应可以帮助解释为什么物种有时比科学家通常预期的更快地适应环境。另一方面，同样的现象可能导致有害等位基因被相关的有益等位基因扫到更高的频率，在某些情况下降低了选择的总体效率。

这项研究表明，进化比我们之前认识到的更加动态和复杂。环境对基因的影响经常变化，这可能有助于物种保持适应未来环境所需的遗传多样性。这种新的认识可能会促使科学家重新思考他们如何在野外研究进化。

虽然这项研究的重点是水蚤，但这些发现可能对理解其他物种如何应对快速的环境变化有启示，包括那些由人类活动驱动的环境变化，如污染和气候变化。在更稳定的环境中评估等位基因频率的稳定性是一个重要的初步步骤。这类研究是至关重要的，因为仅靠实验室实验无法复制环境对野生种群影响的复杂性。

此外，了解水蚤如何进化可能有助于了解整个生态系统的恢复能力。这些知识可以帮助研究人员预测并潜在地减轻环境变化对生物多样性和食物网的影响。

随着世界与日益加剧的环境危机作斗争，像这样的研究为了解大自然的恢复和适应能力提供了重要的见解。通过继续研究这些微小的生物，科学家们希望更好地理解进化的基本机制，并将这些经验教训应用到更广泛的生态和保护工作中。

本研究得到了美国国立卫生研究院{R01 GM101672/GM/NIGMS NIH HHS/United States, R35 GM122566/GM/NIGMS NIH HHS/United States, R35-GM122566-01/HHS | National Institutes of Health (NIH)}和美国国家科学基金会{IOS-1922914/National Science Foundation (NSF)}的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Despite evolutionary biology's obsession with natural selection, few studies have evaluated multigenerational series of patterns of selection on a genome-wide scale in natural populations. Here, we report on a 10-y population-genomic survey of the microcrustacean Daphnia pulex. The genome sequences of [Formula: see text]800 isolates provide insights into patterns of selection that cannot be obtained from long-term molecular-evolution studies, including the following: the pervasiveness of near quasi-neutrality across the genome (mean net selection coefficients near zero, but with significant temporal variance about the mean, and little evidence of positive covariance of selection across time intervals); the preponderance of weak positive selection operating on minor alleles; and a genome-wide distribution of numerous small linkage islands of observable selection influencing levels of nucleotide diversity. These results suggest that interannual fluctuating selection is a major determinant of standing levels of variation in natural populations, challenge the conventional paradigm for interpreting patterns of nucleotide diversity and divergence, and motivate the need for the further development of theoretical expressions for the interpretation of population-genomic data.