厦门杂志期刊论文发表-实验进化不仅适用于模式生物
安东尼·伯内蒂 ，威廉·拉特克利夫
出版日期： 2022年03月30日
在PLOS Biology上发表的一篇新论文中，Dudin及其同事在动物的单细胞亲戚Sphaeroforma arctica中进化出简单的多细胞性。这项工作为研究一个重要但未被充分研究的生物群体中多细胞性的进化建立了一个新的开放式途径。
引文： Burnetti A，Ratcliff WC（2022）实验进化不仅适用于模式生物。PLoS Biol 20（3）：e3001587。https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001587
发表： 三月 30， 2022
版权所有： ? 2022 伯内蒂，拉特克利夫。这是一篇根据知识共享署名许可条款分发的开放获取文章，该许可允许在任何媒体上不受限制地使用，分发和复制，前提是注明原始作者和来源。
资金： 这项工作得到了人类科学前沿资助RGY0080 / 2020对W.C. R. https://www.hfsp.org/ 资助者在研究设计，数据收集和分析，出版决定或手稿准备方面没有任何作用。
相互竞争的利益： 作者宣布不存在相互竞争的利益。
我们对地球生命的看法只是一个古老而动态过程的快照。从跨越人类一生规模的观察中，我们发现自己试图理解数亿甚至数十亿年来已经展开的变化，这项任务类似于试图从十月份的半秒观察中拼凑出四月份发生的事情。
从历史上看，我们对进化所创造的模式的理解导致了我们对进化过程的理解。例如，卡尔·林奈（Carl Linnaeus）在查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的《物种起源》（On the Origin of Species）出版前一百多年，无意中开始系统地描述生命的进化历史[1]，而我们又过了一个世纪才开始了解进化变化的分子细节。即使在现存的种群中，解决进化动力学也可能是一个挑战，我们推断古代过程动力学的能力本质上是有限的。
近几十年来，微生物实验进化已成为研究进化动态的特别强大的工具。在这些实验中，微生物在实验室条件下进化，并且通常定期冷冻保存。这样的实验记录了前所未有的进化细节;原则上，几乎每个分子变化都可以被询问。微生物实验进化的现代领域在很大程度上可以追溯到理查德·伦斯基（Richard Lenski）的长期进化实验（LTEE）。该实验已经连续运行了34年（除了由于移动实验室和2019年冠状病毒病[COVID-19]而导致的2次短暂中断外），其大肠杆菌经历了大约75，000代的增长。该项目对进化动力学产生了许多新的见解（例如，表明适应性显示出递减的回报，但似乎不受限制[2]，或者揭示了新特征如何产生的精确分子细节[3]）。
实验进化也被用于研究一个特定的重大进化创新：多细胞性的起源。一项正在进行的酵母长期实验正被用来研究细胞群如何形成和适应多细胞个体[4，5]，实验进化已被用于展示合作代谢[6]和捕食逃逸[7，8]如何驱动简单多细胞性的进化。这些实验有助于塑造我们对这种转变的思考方式，表明一个曾经被认为是罕见且高度受限的过程实际上可能相对容易。然而，像几乎所有的实验进化项目一样，这些项目依赖于实验上可处理的模式生物，而不是那些与生物圈改变的主要进化转变具有生态或进化联系的生物。这些实验具有许多明显的优势，其中最重要的是标准化的培养方法，简单的遗传操作以及数十年来积累的关于这些生物的丰富先验知识。但它们也带来了不可避免的局限性 - 例如，酵母的实验室进化不能直接回答有关没有真菌细胞壁的细胞间粘附的问题，E的实验进化也不能。大肠杆菌告诉你一些关于真核细胞分裂周期的事情。
在他们的最新文章"沉积速率的调节塑造了动物近的单细胞亲戚中多细胞性的进化"[9]中，Dudin及其同事将实验进化带入了一个新的和令人兴奋的领域。走出模式生物的领域，他们研究了icthyosporean Sphaeroforma arctica中多细胞性的进化。这种微生物来自Holozoa，一组与动物密切相关的微生物（大约11亿年前共享一个共同的祖先[10]）。S. arctica的大部分生命周期都是作为单细胞生物度过的，尽管它像许多微生物一样具有短暂的合胞和多细胞相。通过应用选择通过液体培养基进行快速沉降，这一过程有效地选择生物体大小，并且以前曾用于驱动酿酒酵母中多细胞性的进化[4，5]，他们能够在几周内进化出这种主要是单细胞的动物相对体，以形成大型，克隆，一致的多细胞群（图1）。
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图 1.
祖先（左）和进化（中右）北极鳞毛蕨。左边的祖先显示在其生命周期的最大阶段。经过数周的快速沉降选择，右侧的分离物进化形成克隆多细胞群。照片由瑞士实验癌症研究所（ISREC）的Omaya Dudin提供。
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001587.g001
通过测序，他们发现与分泌途径，信号转导，细胞因子，细胞周期控制和多种转录因子相关的基因有助于这些表型。引人注目的是，他们还发现，除了通过不完全的细胞壁分离（克隆多细胞性的常见途径）形成的多细胞群外，选择快速沉降导致核与细胞质分裂时间的根本转变，浓缩细胞中的核物质并增加其浮力密度。这种在相关一代孢子虫物种中看到的自然多样性的概括，表明浮力调节可能是Holozoa中的生态相关性状，而不仅仅是在实验室中选择多细胞群的便捷手段。
这项工作最重要的方面是它如何超越经典的实验室模型生物，使我们能够回答有关对地球上生命进程产生特别大影响的分支的问题。先前在模型生物中进化简单多细胞性的工作在我们理解原则上多细胞性如何产生方面发挥了关键作用。但是，人们想要回答的关于多细胞性进化的许多问题都依赖于谱系，依赖于单细胞祖先细胞生物学和生态学的细节。通过与动物的亲戚合作，本文开启了实验进化的新篇章。
Holozoa是复杂多样的生物，具有细胞外基质，细胞 - 细胞信号传导，细胞 - 细胞粘附分子和基因调节途径，曾经被认为是动物独有的[11，12]。全息动物中多细胞性的实验进化（即使像S.arctica，它不是动物的实际祖先）将允许探索新的问题。相对于酵母或衣原体等模式生物，这些单细胞生物对多细胞进化的"增强"程度如何？单细胞生命史性状如何被选择用于日益复杂的多细胞行为的进化，如细胞分化？是什么选择压力可能推动了包括动物及其近亲在内的进化枝向多细胞性的过渡？回答这些问题不仅需要耐心和聪明的实验室进化实验，还需要在这些相对未被充分研究的生物体中开发细胞生物学和遗传工具，如果这些实验要充分利用长期实验进化的潜力，这一步骤是必要的。
仅使用现存和化石生物体研究主要的进化转变可能会错过重要信息。这些事件代表了具有许多步骤的复杂创新，其中最早的步骤不太可能在地质上作为化石保存，或者在生物学上作为早期分支的"活化石"保存下来。许多也是罕见的，有些甚至被称为"进化奇点"[13]——由于缺乏平行的转变而难以研究的独特事件。实验进化使像Dudin及其同事这样的研究人员能够创建自己的平行转变，并详细观察小步骤的积累，这些步骤在化石记录的不完美镜子中一起显得强大。我们感到无比兴奋的是，新的研究人员正在加入这个社区，并带来新的生物和问题。
引用
1.Linnaeus C. Systema naturae.第1卷。斯德哥尔摩劳伦蒂·萨尔维。第1758页。
查看文章谷歌学术搜索
2.Lenski RE，Rose MR，Simpson SC，Tadler SC.大肠杆菌的长期实验进化。一、2000代人的适应和分化。国家出生 1991;138（6）：1315–41.
查看文章谷歌学术搜索
3.布朗特ZD，巴里克JE，戴维森CJ，伦斯基RE。实验性大肠杆菌种群中一项关键创新的基因组分析。自然界。2012;489(7417):513–8.下午：22992527
查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索
4.Ratcliff WC，Denison RF，Borrello M，Travisano M.多细胞性的实验进化。美国国家科学院院刊 2012;109（5）：1595–600.下午：22307617
查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索
5.Bozdag GO， Zamani-Dahaj SA， Kahn PC， Day TC， Tong K， Balwani AH， et al.宏观多细胞性的从头进化。生物Rxiv.2021.
查看文章谷歌学术搜索
6.Koschwanez JH， Foster KR， Murray AW.改善公共利益的使用选择无差别多细胞性的演变。埃利夫。2013;2：e00367.pmid：23577233
查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索
7.Boraas ME， Seale DB， Boxhorn JE.鞭毛虫选择殖民地猎物的吞噬：多细胞性的可能起源。电子生态学报. 1998;12（2）：153–64.
查看文章谷歌学术搜索
8.Herron MD， Borin JM， Boswell JC， Walker J， Knox CA， Boyd M， et al.多细胞性对捕食的从头起源。科学代表 2019;9（1）：2328.下午：30787483
查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索
9.Dudin O，Wielgoss S，New AM，Ruiz-Trillo I.沉积速率的调节塑造了动物近单细胞亲属中多细胞性的进化。PLoS Biol. 2022;20（3）：e3001551.
查看文章谷歌学术搜索
10.Parfrey LW， Lahr DJG， Knoll AH， Katz LA.用多基因分子钟估计早期真核生物多样化的时间。美国国家科学院院刊 2011;108（33）：13624–9.pmid：21810989
查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索
11.罗斯-罗切尔N，佩雷斯-波萨达A，莱杰MM，鲁伊斯-特里略一世。动物的起源：单细胞到多细胞过渡的祖先重建。生物开放学报 2021;11（2）：200359.下午：33622103
查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索
12.Br?te J， Neumann RS， Fromm B， Haraldsen AAB， Tarver JE， Suga H， et al.动物microRNA机器的单细胞起源。Curr Biol. 2018：28（20）：3288–95.e5.pmid：30318349
查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索
13.De Duve C. Singularities：生命之路上的里程碑。剑桥大学出版社;2005.
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