没有雄性,靠无性繁殖“统治世界”,这种小龙虾做到了!

科学
没有雄性,靠无性繁殖“统治世界”,这种小龙虾做到了!
麻省理工科技评论 2018-02-08

2018-02-08

大理石纹小龙虾是甲壳纲十足目中唯一能够无性繁殖的,它们均来自于无受精卵子的克隆,因此这个种群只有雌性。
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大理石纹小龙虾是甲壳纲十足目中唯一能够无性繁殖的,它们均来自于无受精卵子的克隆,因此这个种群只有雌性。

试想一个恐怖的电影情节:一种通过无性繁殖的突变生物,悄悄入侵全球的生态系统,并且在短短二十年内,迅速传播遍及欧洲和非洲,甚至威胁当地本土物种,给生态系统造成了严重的破坏。事实上,这样的故事真实存在,而故事的主角就是大理石纹小龙虾。这种小龙虾是甲壳纲十足目中唯一能够无性繁殖的,它们均来自于无受精卵子的克隆,因此这个种群只有雌性。科学家们认为,这种龙虾是在1995年左右,由佛罗里达进口,要运送至德国水族馆的两只小螯虾交配而诞生的。

自从1995年在德国被发现以来,大理石纹小龙虾已经在欧洲和非洲大量繁殖。现在欧盟已经明令禁止:不得销售,保存,分发或释放大理石纹小龙虾到野外。“这种小龙虾是一种严重的害虫。”来自柏林洪堡大学的进化生物学家Gerhard Scholtz说。他曾跟踪了该龙虾入侵全球的足迹,其中包括一个名叫马达加斯加的岛国,大理石纹小龙虾已经威胁到了当地7种小龙虾的生存。德国海德堡癌症研究中心的分子遗传学家Frank Lyko补充说:“它们吃任何东西,比如腐烂的叶子、蜗牛、鱼卵、小鱼或小昆虫。”

五年前,Lyko开始对现在称为Procambarus virginalis的大理石纹小龙虾产生兴趣,因为他认为这种新诞生的无性繁殖可能与正常细胞如何变成癌症并且产生自身克隆很相像。“在许多方面,大理石纹龙虾的侵袭扩张非常类似于癌症细胞在宿主身上呈线性增长的快速繁殖。”Jean-François Flot,来自于布鲁塞尔自由大学的进化基因组学家也有着同样的观点。此外,肿瘤细胞中存在一种现象:部分基因被某些分子修饰使得表达增强,即表观遗传学。该部分基因表达的增强促进了肿瘤生长,并帮助癌细胞扩散。鉴于此,Lyko特别想研究大理石纹小龙虾的基因组,以探究其中涉及到的表观遗传学。

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首先,Lyko和他的同事们为12只来自世界不同地区的大理石纹小龙虾进行了基因组测序,接着对二十多只来自马达加斯加龙虾进行了遗传学分析。2月5号,他们在《Nature Ecology & Evolution》杂志上报道:虽然甲壳纲的基因组由35亿个碱基组成,比人类基因组要大,但其中包含的基因数量只有21,000个,和人类差不多。 这是史上首次公布甲壳类动物基因组。法国国家农业研究所的进化生物学家Etienne Danchin说:“这项工作为比较基因组学以及如何在具有重要生态和经济意义的物种群中确定独特特征开辟了道路。”“这项研究还为我们提供了这个基因组如何产生的线索,并可能帮助环境保护者跟踪此物种的传播”,Shotz说。一些前期的研究表明,大理石纹小龙虾是三倍体,而不是通常的二倍体。每组的染色体结构都与小鳌虾(P.fallax)相似,含有92个染色体。三组染色体中的两组实际上是相同的,但与第三组不同。Lyko的小组认为大理石纹小龙虾可能是由来自世界不同地区的两个小螯虾交配产生的。而且其中一只虾的配子异常保留了染色体的两个拷贝,而不是通常的一个。除此之外,因长期的种群隔离,两个小鳌虾的交配也增加了它们下一代遗传变异的可能。

“当然,这种巧合在野外是不会发生的。”Lyko很坚定地说。然而,Schotz并不完全认同在自然情况下这种情况就不会发生。他说:“虽然来自不同区域的大理石纹小龙虾的DNA显示,所有小龙虾有相同的基因组,都是同一个小龙虾的克隆,但是有关它们的来源仍然只是处于猜想阶段。”不过,比起探索这种甲壳纲动物的起源,科学家们更感兴趣的是它们如何在各种各样,具有不同的温度,盐度和酸度的淡水中得以生存下来的。事实上,以前科学家们一直认为无性繁殖体由于缺乏有性繁殖体的遗传变异能力,很难适应新环境,应该在自然界中处于劣势。但是,这篇文章让我们看到,无性繁殖物种居然能迅速入侵许多地理区域,Danchin说。他是一个成功的植物寄生虫学家,正在研究一种无性繁殖的三倍体线虫。他认为有三组染色体可能是小龙虾能适应新环境的关键,因为基因组有足够多的不同基因种类用于适应不同环境。

来自美国森林服务局南部研究站的水生生态学家Susan Adams对此表示赞同。在其他生物体中的研究表明,在拥有一套额外染色体的生物中,成年个体占比往往更大,这可能有利于克隆体适应新环境。她表示:“更好的适应性有助于该物种的成功入侵。”Adams认为有利于该物种适应环境的另外一个原因是:单个个体就能建立新的种群,而不需要两个个体,这大大降低了繁殖难度。 Adams说:“这样传奇且具有全球意义的生物进化事件竟然发生在水族馆,真是太有意思了!”

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