寄生蟲的世界

來自動物學(xué)系的Alex Betts，Craig MacLean和Kayla King闡述了他們最近在“科學(xué)”雜志上發(fā)表的研究，該研究探討了寄生蟲群落對進化變化和多樣性的影響。

達爾文出版物種起源至今已有150多年的歷史。盡管如此，生物多樣性的演變和后果仍然是進化生物學(xué)家仍在解決的迫切問題。

世界上到處都是寄生蟲，它們與宿主的拮抗作用會產(chǎn)生巨大的進化后果。幾乎所有的生物體都被寄生蟲感染，或者自己是寄生蟲。重度感染的宿主可能會受到強烈的自然選擇，因為它們不太可能繁殖。宿主可以相互對寄生蟲施加強烈的選擇，因為抗性宿主可以抵抗它們，削弱寄生蟲的能力以建立感染和繁殖。這種強烈的相互對抗可以推動快速的進化變化，并被認(rèn)為是生物學(xué)的許多其他方面的責(zé)任，從性別到物種形成。

宿主經(jīng)常受到多種不同寄生蟲物種的攻擊。我們測試了這種寄生蟲多樣性是否在進化時間(例如共同進化)中塑造了與宿主的相互拮抗作用。

在研究今天發(fā)表在科學(xué)，我們研究了單細胞菌，綠膿桿菌，充當(dāng)之間的相互作用主機對于噬菌體寄生蟲 - 感染細菌宿主細胞的微小病毒，在這些細胞內(nèi)繁殖，并使宿主破裂以釋放其后代。這種寄主 - 寄生蟲系統(tǒng)非常有用，因為我們可以實時觀察假單胞菌和噬菌體之間的共同進化。在實驗開始時，我們使用的細菌克隆對我們所有的病毒寄生蟲都很敏感。然而，細菌通過修飾細胞表面迅速進化出對噬菌體的抗性，使噬菌體更難附著和感染：噬菌體在注射致死DNA之前必須附著在細胞表面。作為響應(yīng)，噬菌體進化出修飾的結(jié)構(gòu)以附著于改變的細胞表面。

在許多生態(tài)系統(tǒng)中，不同的寄生蟲群落是典型的。我們的工作表明，相對于單寄生蟲物種的感染，寄生蟲多樣性可以驅(qū)動寄主抗性的快速進化。寄主種群也變得更加進化，彼此不同。最終，群體之間的這種基因組分裂可能導(dǎo)致新種類的細菌和噬菌體的形成。

在我們的實驗中，我們還測試了增加寄生蟲多樣性是否會改變宿主和寄生蟲之間的共同進化模式。我們進一步研究了如何通過宿主和寄生蟲基因組中的突變介導(dǎo)變化。這些變化的性質(zhì)通常屬于兩種相互競爭的描述之一：軍備競賽和紅色女王。軍備競賽涉及宿主抵抗力和寄生蟲感染性不斷升高的持續(xù)時間，因此宿主(和寄生蟲)的未來種群總是比祖先更具抗性(或感染性)。相比之下，Red Queen coevolution主要是旋轉(zhuǎn)策略的模式來匹配你現(xiàn)在的對手，這樣今天的戰(zhàn)略應(yīng)該對你的對手現(xiàn)在最有效，而不太適合過去或未來的對手。

我們的研究表明，寄生蟲群落可以形成快速拮抗共同進化的溫床。隨著寄生蟲多樣性的增加，共同進化轉(zhuǎn)向有利于宿主和寄生蟲之間更強的軍備競賽。隨著寄生蟲多樣性的增加，共同進化速度加快。宿主和寄生蟲分別進化出更高水平的抗性和感染性。整個過程的基礎(chǔ)是主持人轉(zhuǎn)向適用于各種敵人的一般防御戰(zhàn)略。保持對抗社區(qū)中每種寄生蟲的不同種類的抗性并不是最好的方法。宿主使用廣義抗性機制的能力對于我們在多種寄生蟲面前看到的進化加速至關(guān)重要。

這些結(jié)果對我們思考快速進化變化的驅(qū)動因素和多樣性的演變具有深遠的意義。很可能寄生蟲群落在亞馬遜雨林等具有高度多樣性的自然生態(tài)系統(tǒng)中觀察到的升高的進化速率中發(fā)揮作用。

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