基于实验进化基因组学的嗜热四膜虫有性生殖和无性生殖对新环境适应分子机制的比较研究

The evolution and maintenance of sex is the queen of problems in evolutionary biology. The advantage of sexual reproduction was thought that it increases the rate of adaptation to the novel environment comparing to the asexual reproduction, but the molecular basis of this adaptive advantage and the similarities/differences between sexual and asexual reproduction are still unclear. Using the unicellular eukaryotic model organism -- Tetrahymena thermophila with its advantages including possessing sexual and asexual stages during its life cycle, culture in the lab, complete genomic and transcriptomic database and excellent techniques of omics and bioinformatics, we dynamically detect the changes of DNA, transcriptional regulation and genome organization during the continuous culture in the novel environment (increasing the osmolarity in the medium) by sequencing the genomes and transcriptomes of sexual and asexual populations; construct the relationships among these changes and the adaptive phenotypes; suggest the molecular adaptive mechanisms of sexual and asexual reproduction respectively; discuss the adaptive advantages and the significances of sexual and asexual reproduction inferred from the comparisons of the consistency, synchronization and dominant between their adaptive mechanisms; finally improve the development of this evolutionary theory.

“性的进化和维持问题”是进化生物学问题中的女王（the queen of problems in evolutionary biology），有性生殖的优势被认为在于其比无性生殖能更快地适应新环境，但这种适应性优势的分子基础以及与无性生殖的具体异同均不清楚。我们以单细胞真核模式生物——嗜热四膜虫为研究对象，利用它同时具有有性生殖和无性生殖方式、可纯培养、基因组/转录组数据完备及相关组学和生物信息学技术成熟等特点，以实验进化基因组学的方法通过基因组转录组测序，动态考察其有性生殖和无性生殖种群在新环境（渗透压升高的培养基）连续培养过程中基因组和转录组水平的变化，建立DNA变异、转录调控和基因组结构改变与适应性表型间的关系，在阐明嗜热四膜虫两种生殖方式适应新环境的分子机制的基础上，通过比较两者的一致性、同步性及主导性等问题来探讨两种生殖方式的适应性优势和存在意义，从而大大推动相关进化理论的发展。

“性的进化和维持问题”是进化生物学问题中的女王（the queen of problems in evolutionary biology），有性生殖的优势被认为在于其比无性生殖能更快地适应新环境，但无性生殖也有其优势，如何认识两种生殖方式各自的适应性优势和进化生物学意义值得研究。我们以单细胞真核模式生物——嗜热四膜虫为研究对象，利用它同时具有有性生殖和无性生殖方式、可纯培养、基因组/转录组数据完备及相关组学和生物信息学技术成熟等特点，以实验进化基因组学的方法通过基因组转录组测序，动态考察其有性生殖和无性生殖种群在新环境（渗透压升高的培养基）连续培养过程中生长速率、耐盐适应性、基因组和转录组水平的变化，发现1）有性生殖种群生长速率都要显著快于无性生殖种群，且部分细胞系表现出盐耐受/适应的表型；2）有性种群最多交配六次就变得不能交配、不发生有性生殖了。交配型的鉴定显示各种群均变得只有一种交配型了。在鉴定出嗜热四膜虫的交配型决定基因的基础上，以此为分子标记考察了有性种群中各种交配型的组成及其变为单一交配型的过程；3）基于基因组高通量测序数据分析得出有性种群能产生并固定比无性种群显著多的mutations，而且有性种群积累了更多的有益突变；有益突变通过100~200代的无性生殖在种群中迅速扩散并固定；有性种群交配型的单一化/固定在有益突变的固定前完成，实现了种群从有性到无性的转变，从而加速了有益突变在种群中的扩散和固定；4）转录组数据分析显示突变频率较高的基因的功能富集在在“相容性溶质”（如类固醇，氨基酸衍生物等，具有维持细胞内外渗透压作用）代谢过程和跨膜运输过程（阳离子转运等）。据此提出了嗜热四膜虫小核驱动、通过有性生殖产生更多遗传突变，大核驱动、通过无性生殖选择和固定有益突变的嗜热四膜虫“双核驱动”的适应机制模型。从中看出这种生活史中同时具有两种生殖方式的物种充分利用了有性生殖和无性生殖各自在适应新环境方面的优势，而且性别决定在有性到无性转换中扮演了重要角色，从而大大推动了我们对于两种生殖方式在生物适应新环境中的作用以及性别决定在其中重要作用的认识。