科学家毕生研究鸟类染色体进化
时间:2017-12-07

  科学家关于禽类染色体进化的终生研究 - 新闻 - 科学网

  在过去的25年里,每年夏天,生物学家鲁斯蒂·贡塞(Rusty Gonser)和他的妻子伊莱娜·塔特(Elaina Tuttle)都到达阿迪朗达克山脉克兰伯里湖的实地考察站。

  现在,当船被绑在一个摇摇晃晃的木制码头上时,冈奈听到了那只熟悉的鸟儿的歌声。这是在唱歌的白喉。但是他再也听不到他的妻子笑了,几十年来Gonser第一次独自来到克兰伯里湖。就在几个星期前,Tuttle死于乳腺癌。

  他们几乎把所有的职业都投入到了白喉匪生物学。就在六十五岁的Tuttle死亡之后,这对夫妇和他们的团队发表了一篇文章,最终在他们的研究中达到了高潮。它解释了意外的基因突变是如何将个体放在不同寻常的进化路径上的。

  突变导致染色体2的大部分被倒转,阻止它与等位基因染色体配对并交换遗传信息。反转后,超过1100个基因被遗传为一个巨型超基因,并最终导致两种不同的形态上不同的鸟类亚型,其颜色和行为是不同的,这些亚型都与反演的进化有关。

  Tuttle和Gonser的结果是,这个过程几乎和一些性染色体的早期进化一样,比如人X和Y染色体。研究人员意识到,除了现有的两个性染色体之外,这些鸟还演变了另外两条类似于性染色体的染色体。

  美国东卡罗来纳大学的进化生物学家克里斯托弗·巴拉克里斯南(Christopher Balakrishnan)说,这些鸟似乎有四种不同的性别。一只鸟只能与1/4只鸟交配。两性以上的性系统非常罕见。他与Gutser,Tuttle合作。

  这项工作也有助于解释一个长期的生物学问题。它展示了两条相同的染色体是如何演化成不同的亚型的,这些亚型定义了一个物种的性别及其不同的行为。这些鸟类构成了一个令人惊讶的系统,对他们的性染色体进化有很大的了解。瑞士伯尔尼大学进化生态学家Catherine Peichel说。

  更为不寻常的是Gonser和Tuttle已经积累了近30年的数据。这在生物世界中几乎是前所未有的。美国亚利桑那州立大学的计算生物学家梅丽莎·威尔逊·塞耶斯(Melissa Wilson Sayres)说。

  失去妻子后,Gonser仍然决定继续这个项目。去年夏天,他回到野外工作站,用小花园鸟学习性染色体的进化过程。

  启发

  1991年,Tuttle和Gonser在纽约州立大学首次见面,他们都是生态学的博士生。 Gonser在纽约巫女湖学习了波多黎各的青蛙,Tuttle也在这里学习了鱼类生态学。在这里,她对白喉很好奇。

  这种鸟在北美东部比较常见。乍一看,它相当平坦。除了下巴上的白色斑点和眼睛与喙之间的亮黄色斑点,所有的鸟类都有棕褐色和灰色的羽毛。但经过仔细观察,可以发现两种不同的类型:头部有白色条纹,其他有棕色条纹。而且,鸟类学家和博物学家已经知道这两个变种的行为是不同的。

  谭条纹的鸟似乎不喜欢唱歌,一夫一妻制,并试图保护幼鸟免受掠食者的攻击。白条纹的鸟类似乎更具攻击性,之后不那么担心。此外,Gonser提到白嘴鸟只与棕嘴鸟交配。这是一种相对不寻常的现象,称为异型交配。 Tuttle感兴趣的是为什么两个变种都有这种行为?

  当时的文献已经提供了很多线索。 1966年,人类学家托尼克罗夫特(H.T.Torneycroft)在“科学”杂志上发表了一篇论文,指出了这个物种的一对不寻常的染色体。棕褐色的鸟携带两个相同的染色体2拷贝,但在白色的鸟中,一个拷贝被倒置。好像有人剪刀,剪下大部分的染色体,然后把它倒回来。

  Thorneycroft还指出,在脊椎动物中,这种大的染色体倒置是罕见的。异型交配似乎是为了保持两个变种在人口中的比例相等,因为孟德尔的遗传定律确保白色和棕褐色的后代各自拥有一半的自身,以确保染色体的遗传倒转。但是这需要更多的研究证明这是真的。

  在20世纪90年代,测序鸟基因昂贵且耗时。因此,Tuttle最初着重收集关于白喉匪徒行为的更多细节,例如如何选择配偶以及在哪里建巢。为了了解可能会影响她后代生存的因素,她捕捉并标记了鸟类,抽取血液样本,改善了精液采集。

  Gonser很快就开始工作了。他们的儿子迦勒2000年出生后,他们的家人开始在克兰伯里湖度过夏天,他们开始更多地了解麻雀。

  第一个结果

  在2003年的一篇论文中,Tuttle使用小鸡的基因分析来量化两种变体之间的不同繁殖策略。结果显示,近三分之一的白面鸟类中的雄性产生了并非由雌鸟共同筑巢的后代。相比之下,雄性棕褐色的鸟儿花更少的精力寻找更多的伴侣,花更多的时间来守护巢穴,所以他们更有可能成为自己小鸡的父亲。虽然这两个变种繁殖不同,但都成功繁殖。

  六年后,研究小组从国立卫生研究院获得资助,开始基因分析。他们指出第2号染色体,发现这些变化并不像Thorneycroft指出的那样是单一的倒置,而是一连串的染色体倒位。他们确定了几个可能与羽毛颜色和行为有关的基因,这可能有助于解释这两个变种之间的差异。

  但在2011年,Tuttle被诊断为乳腺癌,但手术和药物似乎控制了她的病情。塔特尔决定继续这项研究。

  此时,他们提出鸟类正在演变第二套性染色体的概念。这是一个奇怪的想法,但数据是有道理的。弗吉尼亚大学的遗传学家艾伦·伯格兰(Alan Bergland)说。

  Gonser和Tuttle需要对更多的鸟类基因组进行测序,以证明棕色和白色的鸟类具有成形的交配,并发现了亲子关系,并与其他基因组的反转进行比较。

  但在2013年,Tuttle得了支气管炎,她知道她的癌细胞已经扩散到肺部,所以她必须接受化疗。

  最后一趟

  到2015年夏,团队收集了所需的生态和遗传数据,并确定了大数据。 Tuttle的肿瘤也在慢慢增长,但她仍然坚持工作,我们都知道她病了,但我不知道它有多严重,毕业生Lindsay Forrette说。

  2016年1月,该论文最终在“当代生物学”上发表,明确了染色体2像性染色体一样进化。白色和棕褐色白喉的交配是非常罕见的。分析50个鸟类的完整基因组序列,研究小组证明倒转基因比基因组中的其他基因快得多,并且这种模式与人类和鸟类中的性染色体进化是一致的。

  Tuttle在新闻发布会上表示:这可能是我研究的高潮。这也将是她的最后一个。春天,她的健康直线下降。在她去世前的五天,她仍然在医院的床上忙碌着,写散文和教授研究生。

  Tuttle留下了丰富的研究遗产,并提出了进一步的问题,包括染色体系统是否最终消失。巴拉克里希南认为这是不可持续的。我们从来没有见过一个四性系统,暗示它的进化是不稳定的,其中一个等位基因最终将会灭绝。因为在一个四性别系统中,每只鸟都难以找到合作伙伴。白人女性不仅要寻找男性,而且要寻找一个棕褐色的男性。

  Gonser选择继续返回蔓越莓湖。他和他的团队希望更好地了解哪些基因控制从配偶选择到育儿的麻雀行为,以及这些特征如何受到染色体倒位的影响。利用数字地图和卫星数据,他们绘制了白喉幼虫巢的位置,追踪了鸟类并建立了更丰富的行为数据集。

  这些鸟有更多的信息,我想Elaina希望我们努力工作,揭开他们的秘密。 Gonser说。 (张璋编)