自然界中的生物在復(fù)雜的環(huán)境中適應(yīng)和發(fā)展。例如，當(dāng)受到營(yíng)養(yǎng)，抗生素和捕食的變化時(shí)，野外的微生物面臨著同時(shí)適應(yīng)多種性狀的挑戰(zhàn)。但是，為了生存，必須同時(shí)改善多重特征，進(jìn)化如何展開?

雖然可遺傳的基因突變可以改變表型特征并使種群能夠適應(yīng)其環(huán)境，但適應(yīng)通常受到權(quán)衡的限制：對(duì)一種性狀有利的突變可能對(duì)另一種性狀有害。

由于復(fù)雜環(huán)境中存在的選擇壓力與限制表型的權(quán)衡之間的相互作用，預(yù)測(cè)進(jìn)化動(dòng)力學(xué)是困難的。

伊利諾伊大學(xué)厄本那 - 香檳分校的研究人員已經(jīng)展示了當(dāng)選擇作用于受權(quán)衡支配的兩個(gè)特征時(shí)，進(jìn)化動(dòng)力學(xué)是如何進(jìn)行的。結(jié)果使生命科學(xué)更接近于理解細(xì)胞水平上進(jìn)化的完全復(fù)雜性。

Seppe Kuehn是物理學(xué)助理教授，也是美國(guó)大學(xué)生活細(xì)胞物理中心的成員，領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。該團(tuán)隊(duì)研究了細(xì)菌大腸桿菌的種群，這種細(xì)菌在一周內(nèi)可以經(jīng)歷數(shù)百代，為研究突變及其對(duì)遺傳性狀的影響提供了充足的機(jī)會(huì)。

該團(tuán)隊(duì)選擇了大腸桿菌種群，以便通過(guò)多孔環(huán)境更快地遷移。定量模型顯示，通過(guò)一次改善兩個(gè)性狀 - 游泳速度和生長(zhǎng)速率(細(xì)胞分裂)，群體可以實(shí)現(xiàn)最快的遷移。

Kuehn解釋說(shuō)，“這項(xiàng)研究揭示了當(dāng)性能取決于受權(quán)衡限制的兩個(gè)特征時(shí)進(jìn)化是如何進(jìn)行的。雖然數(shù)學(xué)模型表明最快的遷移種群應(yīng)該由快速游動(dòng)并快速繁殖的細(xì)胞組成，我們發(fā)現(xiàn)人口通過(guò)相互排斥的兩條不同的進(jìn)化路徑實(shí)現(xiàn)更快的遷移：換句話說(shuō)，這些種群在游泳速度或繁殖率方面均有所改善，但兩者都沒有。“

大衛(wèi)T.弗雷貝爾是Kuehn實(shí)驗(yàn)室小組的一名研究生，也是該研究的第一作者。他評(píng)論說(shuō)，“大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都采用選擇壓力來(lái)優(yōu)化單一性狀，并且由于未被選擇的性狀衰退而不是由于多種壓力之間的妥協(xié)而在這種情況下觀察到權(quán)衡。我們選擇游泳和生長(zhǎng)同時(shí)，大腸桿菌無(wú)法同時(shí)優(yōu)化這兩種特性。“

由團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的選擇環(huán)境確定了人口遵循的進(jìn)化軌跡。在營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中，游泳速度越快意味著繁殖越慢;然而，在營(yíng)養(yǎng)不良的環(huán)境中，較慢的游泳和較快的繁殖導(dǎo)致了相同的預(yù)期結(jié)果：通過(guò)多孔環(huán)境更快地遷移。

通過(guò)對(duì)進(jìn)化群體的DNA進(jìn)行測(cè)序，該團(tuán)隊(duì)確定了在每種情況下負(fù)責(zé)適應(yīng)的突變。當(dāng)他們將這些突變基因工程改造到創(chuàng)始菌株中時(shí)，這些細(xì)胞表現(xiàn)出更快的遷移和與進(jìn)化菌株相同的表型權(quán)衡。

Kuehn說(shuō)：“我們的研究結(jié)果支持了這一觀點(diǎn)，即進(jìn)化可以在基因上輕松實(shí)現(xiàn)。”“在營(yíng)養(yǎng)豐富的環(huán)境中，很容易找到一種突變，使細(xì)胞更快地游動(dòng)。在營(yíng)養(yǎng)不良的環(huán)境中，很容易找到一種突變，使細(xì)胞分裂更快。在這兩種情況下，突變都會(huì)破壞陰性調(diào)節(jié)基因，其作用是降低基因表達(dá)或蛋白質(zhì)水平。“

“最近的其他研究表明，微觀進(jìn)化主要受到負(fù)調(diào)控因素變化的影響。原因是：在統(tǒng)計(jì)上很容易找到破壞事物的突變而不是建立新功能或部分的突變。

當(dāng)選擇作用于受權(quán)衡限制的兩個(gè)性狀時(shí)，表型在破壞負(fù)調(diào)節(jié)元件的方向上發(fā)展，因?yàn)樗诮y(tǒng)計(jì)學(xué)上是一條簡(jiǎn)單的路徑。它涉及有用突變的可用性。“

Kuehn總結(jié)了這一發(fā)現(xiàn)的價(jià)值：“改進(jìn)進(jìn)化的預(yù)測(cè)模型將涉及了解突變?nèi)绾胃淖兗?xì)胞過(guò)程的調(diào)節(jié)以及這些過(guò)程如何與限制性狀的權(quán)衡相關(guān)聯(lián)。揭示定義調(diào)節(jié)與貿(mào)易之間關(guān)系的一般原則 - 關(guān)閉可以使我們預(yù)測(cè)進(jìn)化結(jié)果。“