Science｜持续数十年的实验，通过细菌研究突变在演化过程的适应性效应
突变对生物体适应度（fitness，生存和繁殖的能力）的影响，可能会受到后续突变的影响，这可能会限制未来的适应性进化路径。这些变化如何发生、会产生怎样的影响，尚缺乏具体的数据。近日，《Science》杂志发表了一项名为《Changing fitness effects of mutations through long-term bacterial evolution》的研究，这项研究通过测量在不同进化适应阶段的细菌，对突变对适应度的影响，或者说适应度效应分布（DFEs）进行了深入的分析。
为了探究 DFEs 的演化，Couce、Limdi 和他们的同事们使用了正在进行的长期演化实验（LTEE）的样本，该实验自 1988 年以来一直在追踪 12 个大肠杆菌群体。这些细菌已经在低营养环境中演化了超过 75,000 代。研究人员运用基因插入和适应度评估的高通量技术，比较了各种演化阶段的 DFEs。他们采用了一种基于测序的适应度测量方法，这也使他们能够分析与观察到的适应度变化相关的遗传因素。
研究的第一部分评估了有害突变，并比较了演化了 50,000 代的菌株与其原始祖先的 DFEs。他们在DFEs 的有害部分没有发现宏观差异。这一信息对于预测有害突变随时间进化的理论模型非常有价值。
然后，研究团队检查了单个突变的影响，发现在比较原始和演化菌株时，3% 到 6%的相同突变的适应度影响显著不同。一些独立演化的菌株在同一基因中显示了类似的适应度效应变化，这暗示了自然选择的影响。有趣的是，一些基因变得对生存至关重要，这表明突变的稳定性降低了。
研究的第二部分通过比较 2,000 代和 15,000 代的菌株与祖先菌株的 DFEs，研究了有益突变。与有害突变的稳定效应不同，演化菌株中有益突变的比例明显下降。这种下降在不同菌株和时间点上是一致的，这表明早期的基因变化显著地重塑了演化景观。
进一步研究后，研究人员发现许多最初有益的突变随着时间的推移失去了他们的优势，甚至变得有害。由于细胞功能的模块化特性以及基因型和适应度之间的关系，这种有益突变的相关性的转变是可以预见的。在 LTEE 期间，基因组等位基因频率的分析显示，虽然祖先的 DFE 可以预测早期的适应，但是随着演化的进行，预测突变在种群中变为高频突变的能力迅速衰减。这一发现与研究显示 LTEE 中的平行演化随着时间的推移而减少的研究相符。此外，有益的基因变化的可能性与它们发生的频率有关。
总的来说，这项研究为如何突变影响适应度以及它们对演化路径的限制提供了实证洞察，为深入理解适应性演化的遗传动力学做出了贡献。
链接
- Changing fitness effects of mutations through long-term bacterial evolution. https://www.science.org/doi/10.1126/science.add1417
- Fitness effects of mutations throughout evolution. https://www.nature.com/articles/s41576-024-00707-z
