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硬頭鱒百年快速演化 從海洋移居淡水湖

2018/6/4 — 15:28

硬頭鱒
Credit: NOAA

硬頭鱒
Credit: NOAA

演化在很多人眼中,都是一些至少數以千年才可見到的生物特徵改變過程,不過最新刊於《分子生態學 (Molecular Ecology) 》的研究發現,原本居於加州海岸的硬頭鱒 (Steelhead trout) ,在 1890 年代被漁民引入至密歇根湖後,成功完全生活於淡水水體之中的秘密,是與其基因轉移有關。

硬頭鱒原有生活習性與三文魚極為類似,都是生於遠離海洋數以百公里的河道,然後待在太平洋中直至成年;當繁殖季節來臨時,成年鱒魚就會回到出生地生育下一代。而硬頭鱒近親虹鱒 (Rainbow trout) 則同樣是淡水魚,多數出現於北美洲北部和太平洋西岸的淡水水體。

為了解為何硬頭鱒能適應這個巨大的棲息地轉變,美國普渡大學演化生物學家 Mark Christie 的研究團隊,從 264 條硬頭鱒成功排序基因組,並再進利分析。這些硬頭鱒部份來自同為初代密歇根湖硬頭鱒的加州海岸,另一些則為 1983-1998 年於密歇根湖捕捉的淡水硬頭鱒。

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當對比現代生活於海水的硬頭鱒與密歇根湖硬頭鱒後,團隊發現兩者有 3 個區域的 DNA 有所不同。其中兩個是與維持體內鹽度平衡有關,因為淡水硬頭鱒需要額外攝取鹽份,正常硬頭鱒則要從體內移除鹽份,這兩種完全相反的鹽份運用需要不同版本的基因。另一個受影響的 DNA 區域是關乎傷口癒合速度,這可能有助密歇根湖硬頭鱒從寄生的七鰓鰻 (lamprey) 感染後更快復原,這些寄生物都常見於該湖之中。

團隊指,初代密歇根湖硬頭鱒死亡數字數以百計,但殘存的硬頭鱒成功繁衍,很有可能與湖中其他被引入的淡水魚雜交有關,雜交令硬頭鱒數量與基因多樣性得以提升,在該湖健康生活至今。

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不過,基因到底為何這樣快速改變到合適居於淡水的版本? Christie 指,無證據顯示硬頭鱒曾與虹鱒雜交以獲得所需基因,牠們未曾出現過,亦不需基因突變。因為初代淡水硬頭鱒已有合適基因,這些硬頭鱒要做的只是生存下去,繁衍下一代,其餘的則因為無法適應新環境,最終被自然淘汰不能將其基因遺傳到後代。

德國馬克斯普朗克學會旗下 Friedrich Miescher 實驗室的研究亦曾於 2012 年發現,棘背魚有類似的基因轉移,能從海水水體移居到淡水水體之中。未有參與研究的美國基因學家 Michael Blouin 指,研究突顯出如果生物有合適基因的話,可快速適應新環境的特性。去年,曾有研究團隊發現美國德州與墨西哥邊境的綠安樂蜥 (Anolis carolinensis) 為抵抗寒流在一個月內在基因上出現演化,改變其肌肉與神經系統

來源:
Science, This saltwater trout evolved to live in freshwater—in just 100 years, 1 June 2018

報告:
Willoughby, J.R., Harder, A.M., Tennessen, J.A. & et al. (2018). Rapid genetic adaptation to a novel environment despite a genome‐wide reduction in genetic diversity. Molecular Ecology, first published 26 May 2018. doi:10.1111/mec.14726

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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