生態與演化

基因體研究揭曉達爾文的雀喙之謎

達爾文的小獵犬號之旅已成為耳熟能詳的科學史故事,1835 年,達爾文來到加拉巴哥群島後的所見所聞啟發了物種起源、天擇演化的論述,其中,群島上數種近緣雀鳥擁有多樣的喙嘴型態並生存在不同環境下,這樣的「雀喙之謎」更構成研究種化、輻射適應(adaptive radiation)與演化的經典模型。

除了型態觀察之外,分子遺傳上的證據如何幫助我們了解演化歷程與機制呢?過去的文獻透過粒線體 DNA、微衛星(microsatellite)與部分有關鳥喙發育的基因釐清親緣關係,這類 local genome alignment 卻仍無法尋求控制鳥喙變異、多樣化發展的基因位。本文章再訪達爾文的雀鳥研究,藉由基因體定序(whole genome alignment)、演化親緣關係的重建與比較,發現顯著的種間基因流動(gene flow)促進演化的多樣性,也指出 ALX1 基因在遺傳上調控鳥喙型態的重要功能。

來自 120 隻雀鳥的序列樣本與 2012 年完成基因體定序的雌性 G. fortis 之序列比較、核對後,不僅能夠藉此判定樣本的性別,也能透過分析單核甘酸多態性(Single-nucleotide polymorphism, SNP)了解各族群內的多樣性,進一步估算恆定突變率下的有效種群大小(effective population size)。有效種群大小顯示一理想族群中的基因頻度只受基因漂變(genetic drift)與近親繁殖影響,然而,基因體分析所估算的有效種群大小遠大於先前田野調查估算的實際族群大小,暗示著種內與種間頻繁的基因流動。

藉由最大似然(maximum-likelihood)法則重建雀鳥的基因體得到的系統發生樹(phylogenetic tree或evolutionary tree),大致與過去以型態特徵建立的生物分類法(taxonomy)相同,然而,於加拉巴哥群島間頻繁發生異域物種形成(allopatric speciation)的幾種雀鳥卻是在基因體重建的系統發生樹中才得以釐清。此外,系統發生樹的時間軸透過突變機率的估算下,可以判斷加拉巴哥群島的雀鳥與外群的鶯雀於90萬年前分離,並在10-30萬年前才出現樹棲與地棲性雀鳥的輻射演化。

接著,由基因體資訊建立的系統發生樹與過去生物型態為基礎的分類樹之差異可能顯示趨同演化或基因流動,而本研究透過 ABBA-BABA 測試、族群史分析(pairwise sequentially Markovian coalescent model, PCMC)與性聯遺傳、粒線體 DNA 的分析支持基因流動、基因滲入的影響。ABBA-BABA 測試檢視種化過程中 SNP 在分支間的不對稱性,顯示分支之間雜交、產生基因流動的貢獻,而 PSMC 模型也指出演化過程中保持著相當龐大的有效族群大小,顯示頻繁的基因流動。最後,透過性聯遺傳基因、粒線體 DNA 建立的系統發生樹有助了解生殖隔離的演化過程、釐清種化後又持續發生的基因交流。

加拉巴哥群島的雀鳥顯著地透過不同鳥喙適應不同環境與食物,本研究也試圖在基因體中尋找控制鳥喙發育型態的基因,在基因體中搜尋物種間產生顯著差異的序列片段,發現約 240-kb 的序列呈現高歧異度,此片段包含能夠調控頭部結締組織、神經與嘴部發育的基因 ALX1,此基因與能區分鈍鳥喙(blunt, B)與尖鳥喙(pointed, P)的兩種單倍體(haplotype)緊密連結,而 BB、BP 與 PP 等基因型顯著影響雀鳥的鳥喙長度。透過 ALX1 基因重建單倍體的系統發生樹,發現此基因在演化過程中長期與雀鳥的種化、輻射適應有關,天擇與頻繁的基因流動作用影響 ALX1 基因的表達與調控功能,促成雀鳥在加拉巴哥群島上適應各種食物、環境資源的多樣性。

本研究結合近年來蓬勃發展的定序、基因體分析與生物資訊方法,更深入地探討過去種化、輻射演化與生物地理學中的經典案例,不僅提供達爾文的雀鳥在種化過程中的分子證據,也提出輻射演化過程的機制,更揭曉 ALX1 基因在鳥會型態演化中的重要角色。在生態環境劇烈變化的今日,雀喙之謎仍是演化「進行式」活生生的例子,相信如此的深入研究能引領我們探索變化莫測的演化方向。

 

圖說:雀喙之網路樹圖 圖片來源:http://goo.gl/lDbdE8

參考資料

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撰文 | 陳曦

修訂 | 熊浩安

 

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