斯坦福大学的研究人员对生物体间生殖障碍的出现如何创造新物种并推动地球生命的惊人多样化有了新的认识。
生物作为不同物种而彼此区别开来的一个主要方式是通过“杂交不相容性”——一种两种物种的后代相互混合但仍然保持密切关系的现象。有健康问题或生殖能力下降。杂交不相容性的一个常见例子是骡子，它是公驴和母马的不育后代。
然而，长期以来，科学家一直未能准确指出杂交不相容性在基因层面上是如何运作的，也未能解答物种起源的一些基本问题。
现在，斯坦福大学的研究人员通过研究剑尾鱼种群，发现了一组称为“复合体 I 基因”的基因，这些基因与两种剑尾鱼杂交产生的杂交鱼的主要发育问题和早期死亡有关。这些发现支持了这样一种理论：麻烦的基因错配最有可能出现在快速进化的基因中，尤其是在多个基因必须同步运作才能使生物体生存的情况下。
总结这项研究的论文是发布1 月 10 日在期刊上自然。
斯坦福大学人文与科学学院生物学助理教授莫莉·舒默实验室的博士生本·莫兰说：“我们已经确定了当杂交后代遗传时，基因组合不能很好地协同发挥作用。”“在剑尾鱼中研究这种模型系统可以帮助我们更多地了解形成并将它们分开。”
“作为生物学家，我们对周围生命的多样性非常感兴趣，我们想了解这种多样性是如何发生的”舒默说。“但要获得导致杂交不相容性问题的单个基因的经验数据非常困难。通过这项剑尾鱼研究，我们有机会了解影响生物体的整个基因弧。”
分道扬镳后重聚
该项研究的核心鱼类是两种密切相关的物种，Xiphophorus birchmanni (也称为羊头剑尾鱼) 和 Xiphophorus malinche (或高地剑尾鱼)。
正如它们的俗名所暗示的那样，许多剑尾鱼雄鱼的尾鳍上都有尖尖的装饰性延伸部分。然而，X. birchmanni 已经进化得没有了这一特征。与 X. malinche 相比，它们的体型也更大，并且与 X. malinche 表亲相比，它们的体型花纹颜色也不同，还有其他一些差异。
由于外观上的差异，这两种鱼类也进化得占据着墨西哥中部它们共有的河流中的不同区域；X. malinche 选择海拔较高的源头，而 X. birchmanni 则更喜欢海拔较低的下游地区。
从 20 世纪 90 年代开始，研究人员开始记录这些生活在河流中的鱼的外表不寻常的混合版本，这表明它们之间有杂交，后来通过基因测试得到证实。科学家认为，正在进行的 X. birchmanni 和 X. malinche 生殖交配实际上是误认的案例，最终原因是该地区人类活动增加。农场和其他工业废水流入河水可能扰乱了各自鱼类通常用来区分彼此的嗅觉和视觉线索。
舒默说：“剑尾鱼自然杂交的生殖障碍被打破，这为我们研究杂交不相容性遗传学提供了一种独特的方法。”10 年来，舒默一直在墨西哥伊达尔戈地区调查那里的鱼类种群。
寻找冲突基因
为了识别潜在的目标基因，莫兰、舒默和同事对剑尾鱼基因组进行了测序，以建立与每个物种相关的 DNA 指纹。基因组测序还使他们能够获得剑尾鱼线粒体中的基因。
线粒体拥有自己独特的基因组，这是这些曾经自由生活的微生物与 10 亿多年前与古代细胞形成共生关系时的遗留物。与位于细胞核中的生物体大部分基因相比，线粒体基因经历了更快的进化。发生这种情况的原因有几个，包括它们使用不同的 DNA 修复途径以及缺乏重组（遗传物质的改组和交换以形成新的遗传组合）等其他遗传过程。
舒默先前的研究表明，线粒体基因和核基因的组合必须共同发挥作用才能发挥关键作用，这可能是导致这些鱼类杂交不相容的良好候选因素。因此，研究人员将注意力集中在编码组成复合物 I 的蛋白质的基因上——复合物 I 是一种高度复杂的酶，是线粒体中产生细胞“燃料”所必需的。
斯坦福团队及其同事顺着这一线索发现，果然，具有这些 Complex I 基因的某些组合的杂交剑尾鱼表现出杂交不相容性。受影响的鱼会出现严重的发育问题，尤其是发育迟缓和心血管缺陷，这通常会导致在出生前或出生后不久死亡。
莫兰说：“当来自两种不同剑尾鱼种的亲本结合在一起时，这些基因无法产生兼容的蛋白质，无法形成功能良好的复合物I，因此杂交后代无法茁壮成长。”
“我们发现 X. birchmanni 和 X. malinche 的一些后代与这些基因存在杂交不相容性，这是一种罕见的经验案例，我们确实知道哪些因素导致了问题，以及它们将如何发展，”舒默说。
展望未来，斯坦福大学的研究人员计划更深入地研究杂交蛋白复合物的本质。“从分子生物学的角度来看，关于为什么这种大分子（复合物 I）不起作用，有很多有趣的问题，我们希望能够弄清楚，”莫兰说。
从更广泛的角度来看，这项研究也进一步证明了近亲物种群体之间的杂交比人们想象的更为普遍。然而，这种基因交换对进化的影响和动态的许多方面仍不太清楚。
“了解进化过程与实际发生的情况之间的联系这对我来说真的非常令人兴奋，”舒默说。
