小鱼中的一个基因如何改变水生生态系统

在不列颠哥伦比亚省温哥华岛的偏远地区，肯尼迪湖的深蓝色海水面积超过25平方英里。这个湖泊是三足动物的栖息地，是一种小型鱼类，为进化研究提供了丰富的饲料。这些棘鱼在海洋和淡水栖息地中茁壮成长，并存在于北美洲，欧洲和亚洲北部海岸的大部分内陆水域。对于科学家来说，这个物种具有显着的变异特征，这个特征由一个基因控制：骨骼上的骨质或“铠装”的数量。

根据宾夕法尼亚大学博士后研究员Seth Rudman领导的一项新研究，这种微小鱼类中该基因的变异有可能改变更广泛的水生生态系统。研究人员发现，携带更多装甲的鱼将更多的磷释放到周围的水中。由于磷是水生生态系统中的关键元素，因此这种差异可能对淡水或海洋区域的微生物，植物和藻类产生涓滴效应。

“基因组学在推动许多学科和子学科的生物学研究方面发挥了如此重要的作用，”该工作的第一作者鲁德曼说，他在不列颠哥伦比亚大学(UBC)的博士研究期间与同事完成了调查。 。“但我认为最重要的是这项研究的动机是我们如何应用基因组学来帮助我们更好地理解生态系统?在某种程度上，我将这项工作视为一种概念验证，即存在变化的情景在个体基因中可以对生态产生影响。“

该团队使用新颖的方法来评估进化如何影响单个鱼的元素组成，基本上将生物体视为一袋原子 - 碳，钙，锶等。他们发现的进化表明，进化不仅可以区分海水鱼类的元素组成，还可以影响它们与淡水对应物质的组成，但也影响了它们从环境中吸收元素的能力。

“我认为进化确实影响了这些鱼的离子运动这一事实令人惊讶，”Rudman谈到这项工作，该工作发表在“ 生态快报”杂志上。

一般来说，海水中的粘性物质具有更多的电镀，而淡水中的粘性物质则更少。但肯尼迪湖的顽固种群不同寻常，因为它具有稳定的“低镀”和“高镀”鱼种群，由Eda基因控制，使其成为理想的研究地点。

当Rudman及其同事从湖中收集两种类型的鱼并将它们放入过滤水中时，他们发现与低镀鱼相比，高镀金的鱼排出更多的磷。他们还使用更常与毒理学研究相关的方法来追踪放射性同位素，他们还发现高镀量鱼类摄入的钙更多。

这一发现表明，鱼类所具有的Eda基因版本会影响它与周围环境的相互作用，从而可能引发整个生态系统的影响。

小鱼中的一个基因如何改变水生生态系统

Threespine stickleback占据了北纬湖的湖泊，是一种对进化研究产生巨大影响的小鱼。宾夕法尼亚大学的一位生物学家发现，一个基因会影响他们与环境的互动方式。图片来源：Seth Rudman

在研究的第二部分中，Rudman和共同作者观察了不列颠哥伦比亚省其他地区的鱼类，从海洋环境中收集鱼类，其中鱼类往往更多，或与低水平相关的淡水鱼类，以寻找标志人口已适应当地环境和这些变化的生态影响。为此，研究人员检查了鱼是用化学方法制成的。

“我认为本文的一个较新的组成部分是我们能够将这些生物体视为化学混合物，”Rudman说，“当我们这样做时，我们能够明确地将它们的变化与其中的变化联系起来。他们与环境互动的方式。“

研究小组发现，野生捕获的海洋和淡水鱼在它们所谓的“离子组”中的含量差异很大。即使在淡水中养殖海鱼并在淡水中养殖淡水鱼，这些差异仍然存在。

然而，鱼也显示出适应新环境的迹象。

“我们发现，当海水鱼被放入淡水中时，它们吸收磷的能力就会增加，”鲁德曼说。“这很有意义，因为磷在淡水系统中确实是一个限制因素。”

总之，该研究指出了一个罕见的案例，科学家能够将遗传差异与物理特性联系起来，然后将这种特性与潜在的生态系统效应联系起来，因为其他生物可以利用鱼类挤出或吸收的元素。 。Rudman还指出，研究结果强调了影响这些生态影响的进化变化有多快。

“达尔文说，进化是缓慢的，发生在永恒之中，生态正在我们的后院发生，”鲁德曼说。“但事实并非如此。在许多系统中，进化正在迅速发生，在一个夏天，果蝇或者十年间会发生混乱。”

他补充说，快速进化是我们今天看到的条件变化的一个特征，将会产生生态后果，并且可能有一天可以帮助科学家预测物种将如何应对未来的挑战。

“这提供了一种方法，在这种方式中，进化和生态可以在确定未来条件下种群和物种的命运时紧密耦合，”Rudman说。