整基因组复制将揭开达尔文关于开花植物的难解之谜(图)

　　达尔文注意到，从化石记录来看，开花植物是突然出现在地球上的，然后迅速蔓延。“呈现一系列突发的进化特点，包括新的组织结构，如心皮、原始花瓣和萼片（开花植物的必要条件），这样的植物在学术上被称作被子植物，”德潘菲利斯称，“被子植物还含有许多独特的生物化学元素，它们是医药成分的丰富来源，用它们制成的木头也非常特别。”

　　据德潘菲利斯称，新的研究结果支持这样一个观点：“整基因组复制现象在脊椎动物体内非常罕见，但是在植物体内却非常普遍。”独立的整基因组复制不久前才出现在大豆、马铃薯、烟草中的，而在玉米中却很早就存在了。德潘菲利斯说：“现在人们期望能够人工选择农作物品种的基因复制，生产出具有快生长、产量高、个头大等特性的作物。”

　　先前，对更多的远古整基因组复制现象的探测主要是依靠对完整序列基因组的直接观察。例如，拟南芥就是基因组完全测序的第一种植物，沿着染色体具有许多同顺序的基因小单元，这就是整基因组复制的遗留物。然而，在拟南芥和其他植物体内，整基因组复制的迹象却十分罕见，因为大多数基因复本很快消亡，已经没有明显痕迹了。

　　整基因组复制现象作为可能的进化突发机理，已经引起人们关注，就像一个世纪前困扰达尔文的“不解之谜”。虽然绝大多数复制基因迅速突变并从基因组中消失，一小部分有优势的突变还是被留下来起进化作用。与其说通过单基因复制来逐步积累基因新特性，还不如说是对原始基因组整个复制后才发挥新的基因职能，从而促成物种迅速进化。但是，由于整基因组复制所造成的基因的快速和大规模缺失，百万年后再去发现它们就变得尤为困难。所以，德潘菲利斯和他的同事们依靠统计筛选的方式来捕获古代整基因组复制的迹象。

　　为了证明这种现象存在于被子植物进化的早期历史中，德潘菲利斯和他的同事把“基类被子植物”的基因组——它们的祖先从同一世系早期的剩余物种中分离出来，同最近才分离出来的被子植物种类，以及非被子植物类别进行比较。他们对许多种类的植物基因组进行了仔细检测，结果只有一部分DNA序列被确认。经过对被复制基因的集中研究，他们找到了整基因组复制的证据。基因组整体复制的直接证据经过一段时间后很可能已经消失了，要把整基因复制同孤立复制区分出来，就成为摆在科学家面前的考验。

　　任何副本基因都可以产生两个旁生性同源基因（paralogs,指序列是同源而不是明显的正源关系的基因），该基因属于随意、独立的基因变体。多数基因DNA序列中的突变引起了相应基因产品的变化。但在DNA中的这些“同义”突变并不会导致基因产品的改变，所以自然选择对于这些基因的影响很小，它们仍保留在基因组中。德潘菲利斯解释说，由于这类突变过程是随着时间慢慢累积的，在旁生性同源基因之间的这种“同义”突变发生的波段“可被利用作为基因副本产生后的代替物”。即使在明显的全基因组副本丢失的迹象发生后，统计分析还是可以通过“同义”突变相似的波段探测到一组旁生性同源基因，这意味着，所有的这些旁生性同源基因都可以同时间被唤醒——这也是全基因组副本的特点。

　　先前，由其他调查人员展示的“古多倍性”事件，同禾本科植物家族的进化突发相联系，这种禾木科植物是一种比较重要的草科经济作物。来自宾夕法尼亚州的论文上的这一新结论确认了先前报道的“古多倍性”事件发生在真双子叶植物（Eudicots，包括豆类植物、西红柿、向日葵、玫瑰和苹果树）身上， 同它们的快速趋异（在不同的条件下，由同一祖先延续下来的动物或植物，演变为不同形式的演变趋势或过程）过程有关联，并展示了同古代所有被子植物激增相关联的第一个古多倍性事件的证据。

　　这是否仅仅是相关联呢？德潘菲利斯声称：“我们能比发现相关联走得更远。”MADS-box基因（在植物花的发育及果实的发育、成熟中上具有重要的作用），属于转录因子家族，是植物花发育必不可少的一组基因，这组基因在复制过程中经历了一个扩张膨胀阶段，这对于被子植物花卉的进化来说十分重要。德潘菲利斯解释说，一个全组基因副本比一系列单个基因副本更好的解释了这些被子植物突然出现的新特性。他说：“在植物发育过程中一些十分重要的MADS-box基因以及许多其他基因都是由古多倍性事件产生的。”

　　除了德潘菲利斯外，在宾夕法尼亚州其他的几个论文的合著者包括主要作者崔力勇和克尔•华尔，他们同统计系负责人及著名教授布鲁斯•林塞合作开发出了用于统计分析的软件。另外的对论文作出贡献的合作部门包括奥斯陆大学、西雅图的Benaroya研究所、康奈尔大学和位于盖姆斯维尔的佛罗里达大学。该项研究由国家科学基金会赞助。