斯坦福大学的研究人员对生物体之间生殖障碍的增加如何创造新物种并推动地球上生命令人难以置信的多样化有了新的见解。
生物作为不同物种而彼此区别的一个主要方式是通过“杂交不相容性”——这种现象是两个杂交但仍然密切相关的物种的后代出现健康问题或生殖能力下降。杂交不相容的一个常见例子是骡子，它是公驴和母马的不育后代。
然而，科学家长期以来一直未能在基因水平上查明杂交不相容性的运作方式，并且导致物种起源的核心基本问题仍未得到解答。
现在，斯坦福大学的研究人员通过研究剑尾鱼种群，发现了一组被称为复合体I基因的基因，这些基因与两种剑尾鱼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的理论：快速进化的基因中最有可能出现麻烦的遗传错配，特别是在多个基因必须同步运作才能使生物体生存的情况下。
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：“我们已经发现了一些基因组合，当它们被杂交后代遗传时，这些基因组合不能很好地发挥作用。”。“研究剑尾鱼的这个模型系统可以帮助我们更多地了解是什么形成了新物种并将它们分开。”
“作为生物学家，我们对我们周围看到的生命多样性非常感兴趣，我们想了解这种多样性是如何在基因水平上发生的，”舒默说。“但是要获得导致杂交不相容问题的单个基因的经验数据非常困难。通过这项剑尾研究，我们有机会了解影响生物体的基因的整个弧线。”
分道扬镳后又重逢
该研究的中心鱼类是两个密切相关的物种：剑尾鱼(也称为羊头剑尾鱼)和剑尾鱼(或高地剑尾鱼)。
正如它们的俗名所示，许多雄性剑尾鱼的尾鳍上都有尖尖的装饰性延伸。然而，X.birchmanni已经进化到缺乏这种特征。与马林犬相比，它们的体型更大，并且与马林犬表亲相比，它们表现出不同的身体图案颜色，以及其他差异。
由于外观上的差异，这两种鱼类同样进化到在墨西哥中部共享的河流中占据不同的区域。X.malinche选择较高海拔的源头，而X.birchmanni更喜欢较低海拔的下游地区。
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类的外观不寻常的混合版本，这表明杂交，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繁殖交汇实际上是身份错误的情况，最终是由于该地区人类活动的增加所致。从农场和其他工业流入河水中的污染物径流可能扰乱了不同鱼类通常用来区分彼此的嗅觉和视觉线索。
“自然杂交剑尾鱼繁殖障碍的打破为我们提供了一种研究杂交不亲和遗传学的独特方法，”舒默说。他十年来一直前往墨西哥伊达尔戈地区调查鱼类种群。
寻找冲突基因
为了识别潜在的感兴趣基因，Moran、Schumer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。对基因组进行测序也使他们能够接触到剑尾线粒体中的基因。
线粒体拥有自己独特的基因组，这是十亿多年前这些曾经自由生活的微生物与古代细胞形成共生的遗迹。与位于细胞核中的大部分生物体基因相比，线粒体基因的进化要快得多。发生这种情况的原因有多种，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。
舒默之前的研究表明，必须共同发挥关键功能的线粒体基因和核基因的组合可能是导致这些鱼杂交不相容的良好候选者。因此，研究人员将注意力集中在编码构成复合物I的蛋白质的基因上，复合物I是一种在线粒体中产生细胞“燃料”所需的高度复杂的酶。
遵循这一线索，斯坦福大学团队和同事发现，果然，具有这些复合体I基因的某些组合的杂交剑尾鱼表现出杂交不相容性。受影响的鱼患有严重的发育问题，特别是发育迟缓和心血管缺陷，这往往导致出生前或出生后不久死亡。
莫兰说：“当来自两种不同剑尾鱼物种的父母结合在一起时，这些基因无法产生相容的蛋白质来形成功能良好的复合体I，因此杂交后代未能茁壮成长。”
舒默说：“我们在伯克曼尼氏菌和马林氏氏菌的一些后代中看到的与这些基因的杂交不相容性是一个罕见的经验案例，我们真正了解导致问题的基因以及它们是如何进化的。”
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质复合物的本质。“从分子生物学的角度来看，关于为什么这个大分子[复合物I]不起作用，存在很多有趣的问题，我们希望找出答案，”莫兰说。
在更广泛的范围内，这项研究还增加了越来越多的证据表明，密切相关的物种群体之间的杂交比人们想象的更为常见。然而，人们对这种基因交换的进化影响和动态的许多方面仍然知之甚少。
“了解进化过程与实际物种之间的联系对我来说真的很令人兴奋，”舒默说。
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