气候变化威胁埃塞俄比亚咖啡,古代染色体数字化重建揭示哺乳动物进化

牙齿讲述“河马史诗” 非洲植被变化使其迅速统治整个大陆

气候变化威胁埃塞俄比亚咖啡

古代染色体数字化重建揭示哺乳动物进化

研究称水藻油脂产量翻番不是梦想

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近日,《自然—生物技术》在线发表的一篇论文指出,一种基因改造的水藻品系的油脂产量可达其野生亲本的两倍,而且能达到与后者类似的生长速度。这些发现使人们向微藻源可持续生物燃料的最终商业化又迈进了一步。

河马通常白天在河流、夜晚在陆地上生活。图片来源:Getty Images

到本世纪末,气候变化可能会导致埃塞俄比亚约一半的咖啡产区不再适合咖啡种植。不过研究报告的也不全是坏消息,研究人员还提出,通过咖啡产区转移、造林和森林保护,咖啡种植总面积有望扩大4倍。相关论文近日刊登于《自然—植物》网络版。

猩猩的染色体与祖先最接近。图片来源:USO/iStockphoto

自20世纪70年代末以来,人们一直在积极研究使用光养微藻所产生的油脂来制造生物柴油,以补充基于石油的运输燃料。光养微藻是一种在借助光、水和二氧化碳生长时可产生油脂的微生物。截至目前,改造微藻使之油脂产量扩大的工作一直局限于工业品系,它们在数量上无法达到商业化的要求。海洋富油微拟球藻的产油量可达实验室品系的六倍,但尽管经过了数十年的研究,提升微拟球藻的产油效率都会带来生长受损,该属物种的商业潜力也仍未得到充分发挥。

本报讯
快速、巨大而致命,今天的河马是非洲河流中的王者。如今,化石证据表明,河马的“掌权”可能转瞬完成,而植被的变化有助于促使其迅速上位。

小果咖啡(Coffea
arabica)贡献了全球主要的咖啡豆产量,它源于埃塞俄比亚,占该国出口收益的1/4。因此,人们有必要了解气候变化对咖啡产量的影响,但要在局部层面上预测气候变化的影响并不简单。

人类有46条染色体,狗有78条,而一种位于南美洲的被称为红兔鼠的小型啮齿类动物,拥有惊人的104条染色体。数十年来,遗传学家们一直对染色体在哺乳类动物之间展现出的多样性感到惊讶,现在他们有可能弄清楚这些差异是如何发生的。

美国加利福尼亚州合成基因组公司 的Eric
Moellering及同事使用了多种改造工具,包括CRISPR–Cas9基因编辑工具来识别ZnCys因子——它调控着工业品系海洋富油微拟球藻的油脂累积。改造ZnCys后,研究人员发现微藻的产油效率翻了一番——最高可达每天每米5克,而且能保持与未受改造的亲本品系相当的生长速度。

对一个埃塞俄比亚化石遗址出土的河马牙齿进行的分析表明,这种庞然大物在不到150万年的时间里就从一个小角色变成了非洲水路的大老板。先前的研究已经证实,河马在其进化历史的某一刻迎来了丰度和多样性的大爆发,但是这一“河马史诗”持续了多长时间以及是在什么时候发生的却一直是个未解之谜。

英国伦敦基尤皇家植物园的Justin
Moat及同事设计了不同的转移场景,使用世界气候研究计划开发的高分辨率气候数据和最新的卫星影像数据,生成了4个时间段的咖啡适宜性预测结果——从20世纪60年代开始直到21世纪。这样,他们可以根据适合种植咖啡的程度,将埃塞俄比亚每一平方公里的土地划分为5类:不适合、勉强适合、适合、良好和最优。之后,研究人员为验证该模型的准确性,在2013-2016年间驱车和步行约3万公里,实地考察了逾1800个地点。

目前,一项针对所有胎盘类哺乳动物祖先的染色体数字重组研究,揭示了这些紧凑的DNA与蛋白质结构,随着时间的推移已经变得混乱,这个发现也许会帮助精确地定位人类基因组中可能发生问题的位置,而其中的某些问题是构成癌症与其他疾病的基础。

作者指出,理解如何在提高微藻油脂产量的同时保持其生长能力不变,标志着人们向微藻光养产油过程又迈近了一步,这或许将消除依靠陆地植物产糖制造生物柴油的需要。

最新研究结论认为,随着新的草种在非洲蔓延,这一事件大约始于距今800万年前。这个时机支持了河马的“事业上升期”在某种程度上与这些草的扩散联系在一起的理论。当今常见的河马白天懒洋洋地躺在水中,而到了晚上则会到陆地上大快朵颐地享用附近的绿色植物,特别是草。

结果发现,到本世纪末,目前的咖啡产区可能有39%~59%不再适合种植咖啡,清楚地表明了气候变化带来的威胁程度。但是,研究人员也认为与气候变化相关的温度上升或许会在未来20年终增加埃塞俄比亚的咖啡种植区域。最后,他们指出了最适合作为野生小果咖啡遗传多样性“避难所”的森林区域。

未参与这项研究的澳大利亚堪培拉大学遗传学者Janine
Deakin说:“这项研究能帮助我们弄清染色体是如何随着时间的推移而改变的,这种改变操控着染色体的重组过程,而染色体的重组可能引起新物种的形成。这是一项十分有意义的研究。”

这项研究的联合作者、普瓦捷市法国国家科学研究中心及亚的斯亚贝巴市法国埃塞俄比亚研究中心古生物学家Jean-Renaud
Boisserie表示:“幸亏这个遗址,我们能够通过化石记录证明这一切是如何在河马中突然出现的。”

哺乳动物共分为3类:产卵的单孔目动物,比如鸭嘴兽;有袋目的哺乳动物,比如袋鼠和负鼠;有胎盘的或真兽亚纲类哺乳动物,这个大类中包含人类以及其他大约4400种哺乳动物物种。最后一大类在哺乳动物中占较大比例,约1.5亿年前,该类型的早期成员体型约与现代老鼠相当,生活在树上,以昆虫为食。

Boisserie说:“我很清楚河马的这种扩张真的与植被的变化有关。”植被的这种变化可能与气候变化有关,从而促使其在炎热、干燥的区域茁壮成长。

为了理解胎盘类哺乳动物的染色体是如何随着时间推移发生改变的,研究人员需要弄清早期真兽亚纲类是如何演化而来的。而这就需要把一些复杂的拼图重新拼合在一起。

这些化石是由一个日本—埃塞俄比亚团队在过去10年中于该国Chorora遗址挖掘出的。Boisserie说,这些化石主要是牙齿,但它们都有足够的特征以辨识新的物种。

为了弄清真相,美国加利福尼亚州大学戴维斯分校的进化遗传学家Harris
Lewin及其同事和合作者,对真兽亚纲动物家族树上不同年代的19种各类哺乳动物的基因组进行了比对,其中也包括少许灵长目在内。但这些基因组通常并不会揭示动物的DNA是如何分配给染色体的,它们只是给出DNA的序列。

这一节目的主角是Chororatherium roobii——
一个以当地对河马的称谓命名的新物种。这种动物大约生活在距今800万年前,可能大部分时间都在水里度过。它的重量大约是1400公斤的现代河马的一半。

于是,该团队成员、韩国建国大学的Jaebum
Kim和同事编制了一个复杂的计算机程序,该程序能基于研究涉及的19个物种中现存于世的部分染色体,重建原始真兽亚纲动物的染色体。目前,研究人员已经找出了21对真兽亚纲类祖先的染色体,并将这一发现刊登于美国《国家科学院院刊》上。

Chororatherium
roobii的牙齿与Kenyapotamus的牙齿有一些类似之处,后者是一种更古老且更原始的河马。但它们同时也具备了现代河马的特征,如下臼齿齿尖的模式。

结果显示,尽管过去了1.5亿年,这些染色体中还是有小部分得以完整保存,而且,其上的基因排列没有发生变化,至少在猩猩和人类的细胞中是这样的。Deakin说:“我发现一些祖先的染色体的稳定性是非常显著的。”

Chororatherium
roobii牙齿更厚的牙釉质使其非常适合于吃草,虽然研究人员还不能肯定这种动物到底吃什么。Boisserie说,这些特征标志着Chororatherium
roobii可以被视为第一种现代河马,是在它之前出现的古兽和之后50万年开始出现的大河马之间的一种过渡物种。

但Kim和Lewin以及同事发现更多染色体已经被打断,并在染色体之间或染色体内部交换了位置。未参与该研究的俄罗斯圣彼得堡国立大学遗传学家Stephen
OBrien说:“这些变化是2.2万个脊椎动物基因包装顺序改变的足迹。”

Chorora的化石财富帮助Boisserie和他的团队绘制了河马爬升到统治地位的路线图。在距今850万年前的地层中,河马的遗迹只占化石标本的6%。但在距今760万年或者更年轻的地层中,这些动物所占的经识别的化石标本比例超过了30%,这与肯尼亚和乍得相似年代的化石遗址相一致。

目前,科学家总共发现了162个断点——染色体的断开导致其间的DNA散落并能够围绕断点自由移动。他们还发现,染色体的不规则性会随着时间的推移在哺乳动物的种群间不断改变。Lewin说:“令人惊讶的是这些染色体如何在不同谱系中差异地进化,这就是染色体阶梯式变化引领新物种进化的最精彩例证之一。”

堪培拉澳大利亚国立大学生物人类学家Colin
Groves认为,这项研究有助于科学家靠近河马开始统治非洲河畔的时间。Groves补充说,草在其中起到了重要作用的想法“看起来是一个好的假设”。“一定有什么东西导致河马长得这么快。”

这项新研究表明,哺乳动物在早期就开始进化了,染色体断裂的速率是稳定的,并且相对较低,1000万年中大约有8条出现断裂。但是在6500万年前,在灵长目动物中,除了猩猩,该速率跳升至平均每1000万年就有20条染色体断裂。

但英国独立哺乳动物古生物学家Eleanor
Weston警告说,一旦研究人员发现了其他遗骸,那么来自牙齿的研究结果很可能会被推翻。一根颚骨或头骨“可能完全改变这个故事”,她说。Boisserie认为新的研究结果是可能的,但Chororatherium
roobii的牙齿看起来完全属于一个能够进化出今天的河马的物种。

Kim团队表示,正因如此猩猩的染色体看起来与古代祖先的最为相似,并且其中有8条染色体是完整且并未发生改变的。而类似这样“原装”的染色体人类有5条,老鼠仅有1条。

Chororatherium
roobii可能在一个重要方面完全不同于其现代家族。众所周知,今天的河马会杀死人类甚至鳄类。而Chororatherium
roobii可能没有那么危险。Boisserie说,因为它体型很小,但你无法知道它是否有一个更好的脾气。

研究人员同样揭示了灵长目动物体内得以完整保存的20号远古染色体,但在山羊和奶牛体内,该染色体却因为内部重组而发生了巨大变化。老鼠的情况也是如此,与早期真兽亚纲类哺乳动物相比,它们的染色体链条也已经非常不同了。但原因却不同:它们染色体的交换改变并不是在一个给定的染色体内进行,而是在染色体之间完成的,即并非内部重组。

河马是淡水物种中的最大型杂食性哺乳类动物,是陆地上仅次于象的第二大哺乳动物,体型巨大,体长4米,肩高1.5米,体重可达3吨。河马生活于非洲热带水草丰盛地区,常由10余只组成群体,白天几乎全在水中,食水草,寿命30至40年。

Lewin表示,该研究仍在继续,并且是博德研究所测序150多个哺乳动物项目的一部分。利用这些基因组,以及有袋目和单孔目哺乳动物的基因,研究人员计划弄清生活于1.85亿年前的首个哺乳动物的古基因组。“我期待看到这些分析的扩展,包括对所有哺乳动物的详细研究。”Deakin说。

《中国科学报》 (2017-06-26 第2版 国际)

同时,染色体断裂将有助于指导研究人员理解疾病的产生。“有很多医学综合征涉及染色体重组。而且,还有很多可能未被发现。”O’Brien表示。

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