Nature重大成果:复杂行为的基因机理

——为啥老鼠生的儿子会打洞

【字体: 时间:2013年01月18日 来源:生物通

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  俗话说,龙生龙凤生凤,老鼠生的儿子会打洞,从这句话中能看出最浅显的遗传学理论,然而要想解析其中蕴含的复杂行为——动物如何将构建精巧结构的能力遗传给后代,实际上并不容易。在最新一期(1月17日)Nature杂志上,来自美国麻省脑科学研究中心,比较动物学博物馆的研究人员就发现了其中的奥秘。

  

生物通报道:俗话说,龙生龙凤生凤,老鼠生的儿子会打洞,从这句话中能看出最浅显的遗传学理论,然而要想解析其中蕴含的复杂行为——动物如何将构建精巧结构的能力遗传给后代,实际上并不容易。在最新一期(1月17日)Nature杂志上,来自美国麻省脑科学研究中心,比较动物学博物馆的研究人员就发现了其中的奥秘。

现代科学指出基因能塑造我们的身体和行为,对此我们大家都已经熟悉并接受,科学家们也在不遗余力的寻找这两者之间的关系,然而包括人类在内的动物的身体和行为也能改变周围的世界,比如海狸就可以修建水坝,这也就是说海狸的基因在某一层面上能重新定向整个河流的走向。

著名的演化生物学家Richard Dawkins将这称之为“扩展表型”(extended phenotype),是指生物对其环境的影响,比如海狸水坝,蜂巢鸟巢和地洞等。这些事物本身并没有基因,但是基因明显影响了其构建。2004年,Dawkins曾写道,“21年前,我说过没有人利用动物构建作为表型,进行遗传学研究,我认为现在还是这样。”

不过最新这项研究打破了这一说法,目前已加入哈佛大学的Hopi Hoekstra进行了一项无生命物体的遗传学分析。

这项早于2005年就开始的研究,解释了为什么一种称之为oldfield mouse(Peromyscus polionotus)能精心搭建起两个隧道的洞穴,一个用于通往洞穴,一个用于逃生(见下图),而其“近亲”鹿鼠deer mice(Peromyscus maniculatus)却只是打了一个单隧道洞穴。


(图片来自Jesse Weber )

这些发现凸显了基因组学革新性进展的重要性,科学家们通过便宜又快速的DNA测序技术,进行了行为遗传学的分析,无需受限于实验室的几种动物,而是可以将实验范围扩展到野外去,“在我看来,自然界群体生物中基因和行为之间的联系,将是未来生物学发展的下一个契机,”Hoekstra说。

研究人员通过oldfield mouse与deer mice的杂交培养,发现其后代依然会挖出复杂的通道来,这表明oldfield的基因占主导地位,之前他们又进行第二代选育——把杂交鼠与鹿鼠再进行杂交,结果发现了影响逃生隧道挖掘有关的基因。一些后代挖出的隧道更加短,而有一些则挖出长隧道。

随之研究人员进行了DNA分析,结果发现了三个遗传区域导致了挖洞长度的变化,还有第四个遗传区域影响了是否挖掘逃生隧道。由此研究人员认为挖掘复杂地洞的行为是由几个基因模块(genetic modules)决定的,每个模块调控着挖洞大小或形状的一个方面行为。

这些研究数据表明,复杂行为可能是随时间推移所积累的基因决定行为的组合形成的。Hoekstra表示,最终还需要将oldfield小鼠的基因插入到鹿鼠基因中去,才能得到确切答案。

(生物通:张迪)

原文摘要:

Discrete genetic modules are responsible for complex burrow evolution in Peromyscus mice

Relative to morphological traits, we know little about how genetics influence the evolution of complex behavioural differences in nature1. It is unclear how the environment influences natural variation in heritable behaviour2, and whether complex behavioural differences evolve through few genetic changes, each affecting many aspects of behaviour, or through the accumulation of several genetic changes that, when combined, give rise to behavioural complexity3. Here we show that in nature, oldfield mice (Peromyscus polionotus) build complex burrows with long entrance and escape tunnels, and that burrow length is consistent across populations, although burrow depth varies with soil composition. This burrow architecture is in contrast with the small, simple burrows of its sister species, deer mice (P. maniculatus). When investigated under laboratory conditions, both species recapitulate their natural burrowing behaviour. Genetic crosses between the two species reveal that the derived burrows of oldfield mice are dominant and evolved through the addition of multiple genetic changes. In burrows built by first-generation backcross mice, entrance-tunnel length and the presence of an escape tunnel can be uncoupled, suggesting that these traits are modular. Quantitative trait locus analysis also indicates that tunnel length segregates as a complex trait, affected by at least three independent genetic regions, whereas the presence of an escape tunnel is associated with only a single locus. Together, these results suggest that complex behaviours—in this case, a classic ‘extended phenotype’4—can evolve through multiple genetic changes each affecting distinct behaviour modules.

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