对于适者生存来说，多样性是关键：莱布尼兹淡水生态与内陆渔业研究所(IGB)的一组研究人员成功地通过实验证明，遗传多样性使种群更能抵抗疾病。为什么世界各地的动植物物种在其特定物种中都有不同的遗传变异，即使它被认为是生存下来的“适者生存”基因库？根据进化生物学中一个常见的理论，这是为了使物种能够更有效地应对环境的变化，如疾病的发生。然而，支持这一理论的实验证据很难获得：毕竟，几乎不可能观察到大多数动植物物种进化趋势是如何发展的（产生时间太长了）。由IGB研究员和进化生态学家Ramsy Agha博士领导的一个团队现在已经研究了真菌寄生菌的进化。这种寄生虫感染蓝藻菌种Planktothrix，这是普遍存在于许多淡水。
博科园-科学科普：研究小组将这种寄生虫暴露给宿主群体，这些宿主的个体在基因上是完全相同的，或者是由不同的基因变体组成的群体。由于这种真菌迅速繁殖，大约一天一次，科学家们监测了它总共200天的表现。Ramsy Agha解释说：想要实时观察在受控条件下的进化变化，以找出寄生虫是否和多快适应基因相同和不同宿主。科学家们让绿霉适应，但却使宿主种群在进化过程中停滞不前，能够证明真菌很快就能适应基因相同的宿主，也就是三个月之内。”这种适应性反映在这样一个事实上，即寄生虫能够更迅速地附着在宿主身上，克服它们的防御机制，因此能够更快地繁殖。宿主种群的遗传多样性减缓了寄生虫的适应能力。
图片：Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
另一方面，如果蓝藻具有遗传多样性，这些影响就不会发生。这种寄生虫无法适应环境，病情也没有改变。蓝藻遗传多样性明显减缓了寄生虫的适应能力，增强了它们对疾病的抵抗力。发现对于整个生态系统的研究也具有重要意义，因为它们帮助我们解释为什么种群的高度多样性可能对它们的保护有价值，当不仅寄生虫，而且宿主种群被允许适应变化的条件时，会发生什么。研究人员希望进一步了解疾病——通常被认为是一种负面现象——是如何促进和保持生物多样性的重要自然过程。近一半的人类基因组是由遗传寄生虫——转座子、质粒、病毒和其他基因元素组成的，它们有一个共同点：对宿主没有任何有益的贡献，有时还会产生有害的影响。
遗传寄生虫——有时被称为“自私基因”——起源于生命早期，今天几乎存在于所有生物体中。基因寄生虫如此普遍和丰富的发现是基因组学领域众多令人惊讶的发现之一，但仍有许多问题没有得到解答。最基本的问题之一就是，尽管有证据表明，基因寄生虫在进化过程中是有害的，但它们是如何存活这么久的？通常，自然选择导致有害基因的缺失，所以主要问题是，为什么自然选择没有消灭遗传寄生虫？在发表在《EPL》上的一项新研究中，马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院的研究员Jaime Iranzo和Eugene V. Koonin发现，水平基因转移可能是理解遗传寄生虫在进化时间尺度上的持久性和传播的关键之一。
在水平基因转移(HGT)中，基因信息通过多种机制转移到生物体，而不是通过传统的从父母到后代的DNA转移过程。例如，一个生物体可以直接从另一个生物体（甚至是不同物种中的一个）获得遗传物质，或者从周围环境中获得遗传物质。对于遗传寄生虫来说，HGT提供了一种感染新宿主的方式，提供了一种潜在的机制来弥补自然选择造成的损失。然而，早期的研究表明，假设典型的HGT率，单凭HGT就不太可能使遗传寄生虫持续很长时间。后来的研究表明，HGT率的随机波动可能会导致某些基因寄生虫持续存在。在这项新研究中，研究人员分析了大量有关遗传寄生虫在微生物种群中传播的数据，并利用这些数据估计了遗传寄生虫长期存活所需的最低HGT转化率。
宿主群体中的遗传寄生虫模型，图片：Iranzo and Koonin. ?2018 EPL
分析涉及使用数学模型和比较基因组学来量化各种因素对遗传寄生虫传播和持续的影响。研究人员发现，尽管关键HGT率取决于自然选择的强度和基因缺失率，但遗传寄生虫的典型HGT率一般都很高，足以保证它们的长期生存。这一发现为遗传寄生虫利用HGT克服自然选择并在宿主的基因组中存活数十亿年提供了证据，研究结果也有助于解释为什么不同类型的基因寄生虫使用不同的策略。通过量化遗传寄生虫的成本和寄生虫维持所需的最低HGT率，对自私基因在其寄生策略上的差异有了一个基本的理解。例如，非常有害的基因寄生虫需要非常高的HGT率，这只能通过进化HGT的自主机制(病毒和结合质粒的情况)或通过依赖另一种自主HGT的寄生虫(毒素抗毒素模块的情况)来实现。
温和的基因寄生虫，比如转座子，有更多的选择，比如进化机制，允许它们在宿主基因组内增殖。虽然遗传寄生虫对宿主没有任何功能上的好处，但早期生物和遗传寄生虫之间的竞争可能在生物历史上的一些重大进化事件中发挥了重要作用。例如，这种竞争可能是细胞分区化背后的驱动力之一，也是多细胞生命形式的起源之一，也可能使生物体对其他寄生虫的入侵更有抵抗力。了解遗传寄生虫的持续存在对了解这些事件以及帮助回答其他问题都有意义。研究不同种类的基因寄生虫之间的相互作用，遗传寄生虫的存在如何影响其他遗传寄生虫的长期(和短期)生存？哪些生态和进化因素促进了基因寄生虫之间的合作和/或竞争？第二个重点是捕捉在多个种群和物种规模上观察到的瞬时动态，在这些种群和物种中，基因寄生虫似乎在某些物种中增殖，而在另一些物种中则在减少。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Europhysics Letters（EPL）》,《Frontiers in Microbiology》｜研究/来自：Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)，DOI:10.1209/0295-5075/122/58001
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