世界最简单的动物揭示了隐藏的多样性

第一个完全通过遗传特征定义的动物属代表了动物分类和命名的新时代

来自扁盘动物门两个不同属的两个个体:毛盘虫)和香港多板虫)。宏观形态和内部结构无法区分,只有遗传学才能区分它们。

汉斯-于尔根·奥西格斯,ITZ 生态与进化,汉诺威兽医大学基金会,德国

来自 量子杂志 (在此处查找原始故事)。

世界上已知最简单的动物非常不为人所知,以至于它甚至没有通用名称。它正式名称为毛盘虫,因其附着在玻璃器皿上的方式而得名。这种不定形的团状物看起来并不起眼。这种生物只有几毫米宽,形状像一个压扁的三明治,顶层起到保护作用,底层用于爬行,而黏糊糊的填充物将它们粘在一起。毛盘虫没有器官,只有少数几种细胞类型,它最有趣的地方可能就是它令人震惊的平淡无奇。

“当我第一次听说这种东西时,我就被它迷住了,因为它没有真正确定的身体,”德国慕尼黑大学的路德维希-马克西米利安大学的进化生物学家迈克尔·艾特尔说。“没有嘴,没有背,没有神经细胞,什么都没有。”


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,您将有助于确保未来能够继续报道关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。


但在花费四年时间艰苦地重建这种团状物的基因组后,艾特尔可能比地球上任何人都更了解这种生物。特别是,他对它的遗传密码进行了足够仔细的研究,从而了解了视觉检查未能揭示的内容。生物学家长期以来称之为毛盘虫的生物种类实际上至少有两种,甚至可能多达十几种,它们在解剖学上相同但在遗传上不同的“隐存物种”动物。这一发现为分类学(生物命名科学)树立了先例,这是首次通过纯粹的遗传学而非外观来定义新的动物属。

现代分类系统自卡尔·林奈在 1750 年代提出以来几乎没有改变,它试图将庞大的生命之树划分为七个整洁的级别,从而为每个物种赋予一个独特的标签。两部分组成的学名(例如智人)代表了通过这棵树的分支路径的末端,从最粗的树枝(界)开始,到最细的树枝(属 (Homo)),然后再到物种 (sapiens)。至少在理论上,该路径告诉您关于该生物与其他生物群体关系的所有信息。

自从 1800 年代后期被发现以来,毛盘虫一直被认为是具有高度不寻常的身体结构,并且在近半个世纪的时间里,扁盘动物门(“扁平动物”)正式归它独有。门仅比界更具体一个级别,是一个巨大的空间,只能独自占据:我们的门,脊索动物门,充满了超过 65,000 种现存物种,范围从孔雀到鲸鱼再到鳗鱼。生物学家长期以来一直怀疑扁盘动物门隐藏着更多的多样性,并且线粒体证据在 2004 年加强了这种怀疑,当时研究人员发现来自不同个体的短序列看起来与来自不同科(比属更一般的级别)的生物的序列几乎一样不同。

但关于两种扁盘动物的这一观察结果不符合将它们归入新的分类学类别的公认国际标准,这些标准历来都基于动物的形态。“当时我们刚刚发现了遗传差异,”2004 年论文的合著者,国家海洋和大气管理局 (NOAA) 国家系统分类学实验室的动物学家艾伦·G·柯林斯说。“看看我们收集的动物,无法分辨它们在形态上可能有什么不同。”

为了完成柯林斯开始的工作,艾特尔和他的同事决定放弃视觉方法,而是在扁盘动物基因组本身中寻找定义特征。

他们首先使用柯林斯使用过的相同易于测序的线粒体 DNA 绘制了该门的遗传领域。通过比较来自这种称为 16S 的分子的数据,艾特尔得出结论,来自香港的特定种类扁盘动物是标准菌株最远的亲属,标准菌株的基因组已于 2008 年完全测序。如果任何群体有资格成为不同的物种,那么这就是其中之一。

接下来,他需要读取、排序和解释构成香港变种基因组的 8000 多万个 A、G、C 和 T 核苷酸碱基。培养几千个扁盘动物,将它们混合以提取其核 DNA,并将它们的基因组片段转换为数字格式需要几周时间,但将这些片段打乱顺序并弄清楚每个部分的作用的艰苦工作花费了四年时间来摆弄计算机程序。当该团队最终准备好完整的基因组进行比较时,结果证明等待是值得的。“我们预计会发现差异,但当我第一次看到我们的分析结果时,我真的被震惊了,”艾特尔说。

四分之一的基因位置错误或倒写。相似蛋白质的指令平均拼写差异接近 30%,在某些情况下高达 80%。香港变种缺失了其远亲 4% 的基因,并且拥有自身独特的基因。总体而言,香港扁盘动物基因组与毛盘虫的基因组的差异程度与人类 DNA 与小鼠 DNA 的差异程度大致相同。“这真的很惊人,”艾特尔说。“它们看起来一样,而我们看起来与小鼠完全不同。”

那么,如果不是在动物松弛的外观上,所有这些遗传变化都体现在哪里呢?

“即使扁盘动物本身看起来像一小团胶水,它也可能拥有一些正在做一些非常复杂事情的细胞,”加州大学河滨分校的海洋生物学家霍莉·比克说,她研究微小的海洋线虫,线虫也可能是隐存的。香港扁盘动物来自一个微咸的红树林溪流,那里的温度和盐度大幅波动,需要灵活的身体化学。“对于生物体来说,生理上,这是一件相当大的事情需要处理。在分子水平上,您需要特定的适应,”未参与这项研究的比克说。

通过将扁盘动物变异与其他门中群体之间的平均遗传差异进行比较,德国团队得出结论,香港扁盘动物不仅符合新物种的条件,而且也符合新属的条件。它甚至可能在动物树的其他区域符合新科或目的条件,但为了保守起见,该团队将其属变异标准建立在水母之上,水母是一个遗传多样性丰富的门,级别之间的划分相对整洁。

剩下的就是命名。分类学规则要求识别特征,但未具体说明它们应该是视觉特征还是遗传特征,因此该团队在 16S 线粒体基因组中挑选出四个遗传字母,这些字母可以唯一地区分这两个谱系。然后,在同行评审和PLOS 生物学 于 7 月下旬发表的支持下,他们的工作将一种新生物放在了我们的生命地图上。

该团队将其标本的属名命名为何龙属,以中国神话中一种可以变形的龙王命名,并将物种命名为香港种,以其采集地命名。类似的基于基因组的分类在原生生物和细菌世界中很常见,并且相对少数的隐存动物物种已根据遗传学命名。混合了形态特征和遗传特征的命名(和重新命名)也越来越普遍,最近重新分类了一种常见的室内植物。但这是首次仅使用遗传特征,而没有喙大小或鳍数量等特征的支持,来定义动物属。“这些人从性感的分子生物学一直做到正确的命名,”路德维希-马克西米利安大学的植物学家苏珊娜·伦纳说。“这太棒了。”

研究人员希望他们的工作将使未来基于遗传特征的命名更容易,这种命名不易受到鹿角和鳍等引人注目的视觉特征的偏见的影响,这些特征可能无法准确反映群体之间的进化距离。“必须有人成为第一个为根据基因组学定义新的广义物种的权利而战的人,我们很幸运地发表了它,”艾特尔说。

伦纳说,这项工作是向遗传分类学转变的最新一步。“它花了很长时间才起飞,现在正在起飞,”她说。她指出,与物种的正式描述可能需要数页文字相比,像德国团队那样仅用四个字母指定一种生物有助于实现快速高效。“林奈会很乐意这样做。他设想的是非常简明扼要的诊断。”

然而,尽管遗传分类可能非常精确,但它可能会补充而不是取代传统的区分动物的方式。观察视觉特征不需要实验室花费数年时间。即使对于其他无法在圈养条件下饲养的隐存动物(如线虫)而言,遗传技术的使用也可能受到限制。“对我来说,使用单条线虫,永远不可能从个体中分离出足够的 DNA 来使用其中一些技术,”比克说。

但对于研究人员可以培养的隐存动物来说,基因测序可能是照亮其进化树阴影部分的完美聚光灯。艾特尔说,他从分析香港多板虫基因组的过程中学到了很多东西,并预测对下一个变种(一个已经在进行中的项目)进行测序将需要几个月而不是几年。“未来可能会涌现出数十种新物种,”他说。“而且还会有更多,因为我们一直在采样。”

量子杂志许可转载,量子杂志是西蒙斯基金会的编辑独立出版物,其使命是通过报道数学、物理科学和生命科学的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。

© . All rights reserved.