スティックルバックの平行進化に関する遺伝的洞察
研究によると、イワナのような特徴の背後には様々な遺伝子変化があることがわかった。
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並行表現型進化ってのは、異なる種や集団が時間をかけて似たような特徴を持つようになることだよ。これは、科学者が種がどのように適応するか、そして特定の特徴の変化が自然界でどれくらい頻繁に起こるかを理解するのに役立つから重要なんだ。でも、二つのグループが似た特徴を持ってるからって、遺伝子の変化が全く同じとは限らない。同じ特徴が、異なる種で異なる突然変異から生じることもあるんだ。
並行進化における遺伝的要因
いくつかの考え方があって、なぜ異なる種で特徴が似て進化するのかっていうのがある。一つの可能性は、実際の突然変異が異なっても、同じ遺伝子や生物学的経路が関与しているかもしれないってこと。科学者たちは、近縁の種が似た特徴を進化させる時に、似た遺伝的変化を持つことが多いって指摘してるんだ。
こうした適応の遺伝的基盤を調べることで、進化の限界についての洞察が得られるかもしれない。たとえば、一つの特徴が異なる遺伝子の異なる突然変異によって引き起こされるなら、その特徴は一つの遺伝子の特定の突然変異に依存する特徴よりも制約が少ないってことだよ。自然選択は、どの突然変異が適応や生存を高めるかを決定する上で重要な役割を果たしているんだ。
スティックルバック魚の研究システム
スティックルバックは、この種の進化を研究するのに人気の選択肢だ。彼らは、骨盤の棘の有無など、様々な特徴を示すんだ。異なる種や集団のスティックルバックは、棘があるものやないもののバリエーションを持つようになってるのが観察されている。一部の集団では、特定の遺伝子の突然変異によって骨盤の棘の減少や喪失が引き起こされている一方、他の集団では異なる遺伝子が類似の結果に関与しているかもしれない。
ブルックスティックルバックの研究の重要性
この研究は、北アメリカに見られるブルックスティックルバックという魚に焦点を当ててるんだ。骨盤の棘の減少に関して、異なる集団の間でどれくらい遺伝的な類似性があるかを調べることを目的としている。カナダのアルバータ州の異なる湖から三つの集団が調べられ、骨盤の棘の減少の遺伝的基盤を比較したんだ。この集団を研究することで、似た特徴が似た遺伝的変化から生じたのか、それとも異なる突然変異が同じ結果に導いたのかを確かめたかったんだ。
サンプル収集と方法
ブルックスティックルバックは、Muir Lake、Shunda Lake、Astotin Lakeの三つの湖から収集された。それぞれの湖には、棘がある、部分的に棘がある、棘がない個体が異なる数いたよ。捕獲方法は、ミノー用トラップを使って、魚はさらなる研究のために保存された。スティックルバックの遺伝的構成は、全ゲノムシーケンシングを通じて分析されたんだ。
サンプルを収集した後、研究者たちは遺伝データを調べるために様々な方法を使った。これには、低品質情報のフィルタリングや、遺伝コードの個々の変異である一塩基多型(SNP)の呼び出しが含まれていたよ。
遺伝子分析からの発見
Astotin LakeとMuir Lakeでは、ある特定の遺伝子変異が19番染色体にあり、骨盤の棘の減少に関連していることがわかった。この変異は、肢の発達に関係するLmbr1という遺伝子の第五部の中にあった。一方、Shunda Lakeの集団は、異なる遺伝子Tbx4に関連する3番染色体の異なる変異を示した。つまり、異なる遺伝的変化が同じ物理的特徴につながることがあるんだ。
データは、湖ごとの遺伝的変異の明確なパターンを示唆していた。中間的な骨盤表現型の数がかなり多かったけど、各集団間で変異の存在が違ってたよ。
遺伝的多様性と選択指標
遺伝的多様性のパターンは、三つの集団間で異なっていた。Shunda Lakeは遺伝的変異のレベルが最も低くて、他の二つの湖はより高い多様性を示した。また、期待よりもヘテロ接合体が多かったことが観察されて、集団の間で何らかのバランス選択があったことを示唆しているんだ。
特徴の優位性と表現性
この研究では、集団内で特定の遺伝的特徴がどれくらい優位であったかも調べられた。Lmbr1の骨盤減少の突然変異は、Tbx4の突然変異よりも強い表現型効果を示した。つまり、Lmbr1の突然変異がある場合、棘がない表現型が現れる可能性が高い一方で、Tbx4の突然変異はより多様な結果を生むってことだよ。
発見の意味
この発見は、異なる集団の似た物理的特徴が必ずしも同じ遺伝的変化から生じるわけじゃないことを強調してる。実際、ブルックスティックルバックの骨盤の棘の減少は、集団によって異なる突然変異に影響されているようだ。これは進化の制約についての疑問を呼び起こす。異なる環境要因が、特定の状況でどの突然変異が最も有利になるかに影響を与える可能性があるんだ。
スティックルバックは、様々な環境に適応する驚くべき能力を示していて、これが集団間で見られる異なる突然変異を説明するかもしれない。この研究は、特定の特徴が有利である一方で、それらの特徴を達成するための実際の遺伝的経路は大きく異なる可能性があることを示唆しているんだ。
今後の方向性と研究の機会
表現型変化の背後にある遺伝学を理解することで、より広い進化プロセスについての洞察が得られるかもしれない。今後の研究では、似たような環境条件下で異なる突然変異の影響を比較して、自然選択の役割をよりよく理解することができるかもしれない。
さらに、同様の方法で他の特徴や種を研究することで、進化や適応についての知識を広げられるだろう。遺伝的変化が生態的要因とどのように相互作用して形態や行動の多様な結果を生むかに焦点を当てるのもいいかもしれないね。
結論
ブルックスティックルバックに関する研究は、進化の複雑さについて貴重な洞察を提供してる。これは、似た特徴が異なる遺伝的経路を通じて生じることがあり、様々な集団間での特徴の遺伝的基盤を調べることの重要性を強調しているんだ。並行進化のニュアンスを理解することが、種の適応や変化する環境での生存を促進する根底にあるメカニズムを明らかにするのに役立つだろう。
タイトル: Same trait, different genes: pelvic spine loss in three brook stickleback populations in Alberta
概要: The genetic basis of phenotypic or adaptive parallelism can reveal much about constraints on evolution. This study investigated the genetic basis of a canonically parallel trait: pelvic spine reduction in sticklebacks. Pelvic reduction has a highly parallel genetic basis in threespine stickleback in populations around the world, always involving a deletion of the pel1 enhancer of Pitx1. We conducted a genome-wide association study to investigate the genetic basis of pelvic spine reduction in three populations of brook stickleback in Alberta, Canada. Pelvic reduction did not involve Pitx1 in any of the three populations. Instead, pelvic reduction in one population involved a mutation in an exon of Tbx4, and it involved a mutation in an intron of Lmbr1 in the other two populations. Hence, the parallel phenotypic evolution of pelvic spine reduction across stickleback genera, and among brook stickleback populations, has a non-parallel genetic basis. This suggests that there may be redundancy in the genetic basis of this adaptive polymorphism, but it is not clear whether a lack of parallelism indicates a lack of constraint on the evolution of this adaptive trait. Whether the different pleiotropic effects of different mutations have different fitness consequences, or whether certain pelvic reduction mutations confer specific benefits in certain environments, remains to be determined. Lay SummaryIn this study, we looked for the genetic basis of a well-studied trait in stickleback fish: the pelvic spines. This structure (i.e. the pelvic girdle and attached spines) has a shared developmental basis (and is homologous to) the pelvic bones and hind limbs of all tetrapods (including humans). We know from studying mice, fish, humans, and even manatees that there are several genes that could affect the development of pelvic spines and hind limbs. In one species of stickleback, the threespine stickleback, however, a single gene called Pitx1 is always involved in the loss of pelvic spines in populations that have adapted to freshwater lakes. This replicated evolution of the same trait in the same environmental conditions is called parallel evolution. Its remarkable that Pitx1 is always the gene underlying this adaptive loss of spines in freshwater threespine stickleback populations. We were interested in whether this "genetic parallelism" extended to other species of stickleback that have also evolved the loss of pelvic spines. We looked at three populations of brook stickleback (which are never found in the ocean), each of which contains individuals with and without pelvic spines. We found that the Pitx1 genetic parallelism does not extend to brook stickleback, and, in fact, the genetic basis of pelvic spine loss differs between populations. In Muir Lake and Astotoin Lake, pelvic spine loss results from a mutation in the Lmbr1 gene, and in Shunda Lake, pelvic spine loss results from a mutation in the Tbx4 gene.
著者: Jonathan A Mee, C. Ly, G. C. Pigott
最終更新: 2024-09-27 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.27.600703
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.27.600703.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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