寻找表型性状遗传基础的分子进化新指标

凭借其强大的挖掘铲，欧洲鼹鼠可以轻松地在土壤中挖洞。这同样适用于澳大利亚有袋鼹鼠。尽管这两个动物物种相距甚远，但它们在进化过程中发展出了相似的器官——在它们的例子中，四肢非常适合在土壤中挖掘。

在这种情况下，科学谈到“趋同进化”，即动物和植物物种独立发展出具有相同形状和功能的特征。有很多这样的例子：例如，鱼有鳍，鲸鱼也有，尽管它们是哺乳动物。鸟类和蝙蝠有翅膀，在使用有毒物质抵御攻击者时，许多生物，从水母到蝎子再到昆虫，都进化出了相同的工具：毒刺。

尽管缺乏关系但具有相同的特征

很明显，世界各地的科学家都很有兴趣找出各个物种遗传物质的哪些变化是导致它们进化出相同特征的原因，即使它们之间没有关系。

事实证明，寻找这一点很困难：“这些特征——我们称之为表型——当然总是编码在基因组序列中，”尤利乌斯-马克西米利安大学 (JMU) 维尔茨堡的植物生理学家 Kenji Fukushima 博士说。突变——遗传物质的变化——可能是新特征发展的触发因素。

然而，遗传变化很少导致表型进化，因为潜在的突变在很大程度上是随机和中性的。因此，在进化过程发生的极端时间尺度上积累了大量的突变，使得检测表型重要的变化变得极其困难。

分子进化的新指标。

现在，Fukushima 和他在科罗拉多大学(美国)的同事 David D. Pollock 已经成功开发出一种方法，在寻找表型性状的遗传基础方面，该方法比以前使用的方法取得了明显更好的结果。他们在最新一期的《自然生态学与进化》杂志上介绍了他们的方法。

“我们已经开发出一种新的分子进化指标，可以准确地代表蛋白质编码 DNA 序列的趋同进化速率，”Fukushima 在描述现已发表的工作的主要结果时说。他说，这种新方法可以揭示在数亿年的进化时间尺度上哪些遗传变化与生物体的表型有关。因此，它提供了扩大我们对 DNA 变化如何导致表型创新从而产生物种多样性的理解的可能性。

庞大的数据宝库作为基础

生命科学的一项重要发展构成了福岛和波洛克工作的基础：近年来，越来越多的跨越物种多样性的许多生物体的基因组序列已被解码，从而可供分析。“这使得在宏观进化水平上大规模研究基因型和表型的相互关系成为可能，”福岛说。

然而，由于许多分子变化几乎是中性的并且不影响任何性状，因此在解释数据时通常存在“假阳性收敛”的风险——也就是说，结果预测突变与特定性状之间存在相关性实际上并不存在。此外，方法论偏差也可能是造成这种假阳性趋同的原因。

数百万年的相关性

“为了克服这个问题，我们扩展了框架并开发了一种新的度量标准来衡量蛋白质进化的误差调整收敛率，”福岛解释说。他说，这使得在模拟和现实世界的例子中将自然选择与遗传噪音和系统发育错误区分开来成为可能。他说，通过启发式算法得到增强，该方法可以双向搜索基因型-表型关联，即使在已经分化数亿年的谱系中也是如此。

这两位科学家分析了脊椎动物基因中超过 2000 万个分支组合，以检查他们开发的指标的效果如何。下一步，他们计划将这种方法应用于食虫植物。目标是破译对这些植物吸引、捕获和消化猎物的能力负有部分责任的遗传基础。

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