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基因突變製造能自我複製螯蝦 入侵全球水體危害野生生態

2018/2/6 — 16:45

你可能覺得以下是科幻電影橋段,但卻是現實生態故事。 1995 年,一隻學名為 Procambarus virginalis 的大理石紋螯蝦 (Marble Crayfish) 因基因突變意外被誕下並從德國水族館逃脫, 20 年內透過無性繁殖,自我複製大量後代入侵歐洲、非洲的淡水水體,對自然生態造成嚴重破壞,單在馬達加斯加已威脅到七種螯蝦的生活。

最新刊於《自然 — 生應與演化》的基因研究不單支持這個大理石紋螯蝦起源的說法,更可能解釋到為何牠們能適應各種不同環境並繼續繁衍。

大理石紋螯蝦是現時已知唯一一種能夠無性繁殖的甲殼類動物,所有雌性都可透過未受精卵子複製下一代,而且能在不同溫度、鹹度、酸度的水體中生存,並以枯葉、蝸牛、昆蟲、魚卵以至小型魚類為食,被很多專家形容為野生生態的有害寄生物。此前學者估計,兩隻龍紋螯蝦 (Procambarus fallax) 從佛羅里達進口至德國時交配產出大理石紋螯蝦。

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而大約五年前,德國分子基因學家 Frank Lyko 開始對大理石紋螯蝦產生興趣,認為牠的無性繁殖與複製能力,與癌細胞在宿主身體擴散相似,故此開始研究其基因組,以了解其表觀遺傳學背後的基本機制以及可以驅動腫瘤生長的分子結合過程。

Lyko 與同事們排序了全球的大理石紋螯蝦基因組,並另外簡單分析來自馬達加斯加的大理石紋螯蝦基因。他們發現,該十足目 (Decapoda) 有 35 億個核鹼基比人類 DNA 更多,但所含的 2.1 萬個基因,數量則與人類相約。這亦是生物學界首次排序十足目基因組,未來將可比較蝦、蟹、龍蝦以及螯蝦本身的基因,辨別不同品種的基因特徵。

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是次研究結果與其他初步數據吻合:大理石紋螯蝦有 3 組共 276 條染色體,而非其他生物的兩組;三組染色體均來自龍紋螯蝦,當中兩組幾乎一樣,第三組則明顯有異,顯示是由兩隻不同地區的龍紋螯蝦意外產出大理石紋螯蝦。團隊估計是因為卵子或精子出現問題,意外保留了兩個染色體副本,製造出大理石紋螯蝦。

研究又確認全球所有大理石紋螯蝦均有同樣的基因組,顯示該物種能自我複製。複製後代理應對一個物種來說是壞處,然而由於兩隻不同地區的龍紋螯蝦本身有大量基因差異,令新的大理石紋螯蝦擁有多個基因可適應不同環境,加強其入侵野生生態的能力。

此前,學界已發現其他生物也出現基因突變,產出有三組染色體的後代,這些後代均有更好的適應力,有潛在危機成為外來品種入侵其他生態系統。最大問題是,只有一個大理石紋螯蝦個體在野外出現,就能無性自我複製出一個群族。有生態學家指,隨著研究得出其基因組,或可助保育專家追蹤大理石紋螯蝦的擴散速度,制定保育方針,避免野生動物受傷害。

來源:
Science, An aquarium accident may have given this crayfish the DNA to take over the world, 5 February 2018

報告:
Gutekunst, J., Andriantsoa, R., Falckenhayn, C. & et al. (2018). Clonal genome evolution and rapid invasive spread of the marbled crayfish. Nature Ecology & Evolution published online 5 February 2018. doi:10.1038/s41559-018-0467-9

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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