草莓是一种珍贵的美味，其硕大的红色果实和甜美的风味使其成为令人垂涎的果酱、独立的下午茶点或几乎任何甜点的配料。然而，草莓不仅仅是一种美味的零食。在鲜红色的果实表面之下，隐藏着进化树的一个独特分支。草莓的基因特性非常适合科学家研究，并获得关于生物体如何进化出新的、复杂的和多功能特征的基本见解。
草莓基因组的第一个怪癖是科学家称之为多倍体的现象，意思是其细胞中有多组染色体。人类是二倍体，意味着我们有两组染色体；每个人从父亲的精子供体获得一组，从母亲的卵子供体获得一组。草莓，与此同时，是八倍体，意味着它有八组染色体。 真的。
第二个怪癖是杂交，即不同物种彼此交配并产生后代，后代包含来自两个物种的基因组。（在大多数生物中，交配或繁殖会导致基因组的大杂烩，其中并非所有东西都被移植过来。）
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
2019 年，我的同事和我发表了草莓植物的第一个高质量基因组，这揭示了八倍体基因组是通过逐步过程产生的。在大约一百万年前的某个时候，两个古老的二倍体物种杂交并产生了一个现已灭绝的植物物种，该物种具有四组染色体；该物种与第三个二倍体物种杂交，产生了六组染色体，然后与第四个二倍体物种杂交，产生了八组染色体。这种古老的野生八倍体随后在整个西半球传播，分裂成两个物种，欧洲殖民者在 18 世纪收集了这些物种；这些植物在大约 300 年前的欧洲大陆经历了最后的杂交事件，创造了您在杂货店或花园中认识和喜爱的草莓。
这一切意味着草莓平均拥有每个基因的八个拷贝，以及每个细胞中相当于四个不同物种的遗传多样性。遗传多样性是进化的引擎，有了基因的多个拷贝，一个拷贝可以执行基本功能，而额外的拷贝可以自由地从事新的活动和功能。最近的两项研究说明了这一优势。首先，匹兹堡大学研究人员领导的一项研究发现，草莓物种中的多倍体导致的变化不仅使它们能够在有利的环境中更好地生存和繁殖，而且还能够在不利的环境中更好地抵抗压力。正如研究人员指出的那样，他们的发现符合一个假设，即多倍体使植物既能成为“万事通”，又能成为“某些方面的专家”。
其次，驯化野生植物的过程不可避免地导致一般遗传多样性的大幅下降。人类只选择野生物种总遗传多样性的一小部分，然后不断选择连续几代的一小部分。这种模式与从小而灌木丛生的坚硬外壳的野生类蜀黍到铺满美国中西部景观的单茎大穗玉米的转变非常吻合。然而，由于多次杂交事件，草莓的情况并非如此。我的同事和我，在加州大学戴维斯分校的草莓育种实验室的领导下，研究了野生和驯化八倍体草莓的基因组，并惊讶地发现，驯化草莓中的遗传多样性几乎与野生亲缘种一样多。这种遗传变异得到了很好的利用。同一项研究表明，从四个不同的二倍体亲本物种遗传的不同基因拷贝都在草莓早期和现代驯化历史中受到自然选择的影响；这些亲本物种中的每一个都提供了不同的遗传燃料储备，以帮助物种适应不同的地点或满足植物育种者的需求。
最后的杂交发生在两个野生八倍体物种之间：一个原产于北美温带环境，另一个适应北美洲和南美洲西海岸。由此产生的杂交种能够轻松适应不同的环境。来自加州大学戴维斯分校小组的另一项研究表明，在沿海环境中种植的驯化草莓中受到选择的基因更可能来自原产于沿海环境的亲本物种，而在温带环境中种植的驯化草莓中受到选择的基因更可能来自适应温带生态系统的亲本物种。通过拥有来自杂交的两个基因组，草莓配备了额外的遗传多样性，以在亲本物种适应的任何环境中生存。
多倍体的进化意义远远超出草莓。创造大量额外遗传物质的能力为未来适应新的环境或在异常恶劣的条件下持续存在奠定了基础。对生命之树中数十个基因组的测序和分析表明，尽管许多真核物种目前具有二倍体基因组结构，但几乎每个物种都拥有古代多倍体事件的信号，即生物体经历了全基因组复制并获得了新的染色体组。这些事件明显发生在主要新奇事物进化之前，例如脊椎动物的脊柱、植物的花朵和酵母的发酵。尽管经过数亿年的进化，但在重复中维持的基因在这些性状的发育中至关重要，这提供了强有力的证据，证明多倍体导致了这些新性状的进化。此外，多倍体事件似乎发生在物种大灭绝事件期间，例如大约 6600 万年前白垩纪和古近纪边界的物种大灭绝事件；多倍体可能对物种在气候剧变时期的生存至关重要。
下次您咬草莓时，请记住它不仅仅是一种美味的零食。它是了解独特遗传和进化过程的窗口，该过程解释了物种如何进化出前所未有的功能或在史无前例的环境变化中生存。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。