PNAS：这完全取决于基因的多样性

　　在《美国国家科学院院刊》最近的一项研究中，德国耶拿马克斯普朗克化学生态学研究所的一组研究人员表明，在自然植物种群中，对植物适应性有直接影响的单一突变可以长期维持，尽管理论预测相反。研究人员定位并确定了调节活跃防御激素数量的基因。这种基因的突变体容易受到食草动物的攻击。然而，它们通过强大的遗传网络弥补了受损的防御能力。当更少的食草动物攻击时，它们甚至生长得更快，产生更多的后代(PNAS, August 2023, doi: 10.1073/ PNAS .2308500120)。

　　

没有防御措施的植物不会暴露在食草动物面前。当昆虫以叶子为食，从而伤害叶子并释放口腔分泌物时，在植物中引发信号级联反应，通常以植物激素茉莉酸及其活性异亮氨酸缀合物的数量迅速增加开始。茉莉酸调节植物的各种反应，包括对食草动物的防御和对环境胁迫的反应。

具有不利特性的突变体并不一定会消失

进化理论的一个重要论点是自然选择和具有不利特性的突变体再次消失的结论。然而，位于耶拿的马克斯普朗克化学生态学研究所的研究人员对野生烟草物种Nicotiana attenuata(也被称为土狼烟草)进行了观察，结果与这一预测相矛盾。

20年前，科学家们在美国犹他州大盆地沙漠的自然环境中，对烟草植物进行了田间试验。这些转基因植物吸引了Empoasca属的叶跳虫，这在防御未受损的野生型植物中没有发现。与此同时，研究人员观察到，在自然种群中，也可以观察到叶跳虫对一些个体的摄食损害。他们表明，这些植物个体的自然防御机制受到了损害。然而，研究小组还发现，其他防御功能受损的突变体在野外只接触少数食草动物，比那些防御信号完整的突变体生长得快得多。然而，在食草动物压力很大的年份里，突变体受到了如此严重的攻击，以至于它们无法生存，也无法繁殖。研究负责人伊恩·鲍德温解释了之前的研究结果，他说:“这些发现让我们认为，自然种群的烟叶可能在防御信号通路中含有天然突变体，这些突变体是通过生长和防御相关的选择压力之间的权衡而在自然种群中维持的。”

为了验证这一假设，伊恩·鲍德温的团队开发了一个被称为MAGIC的种群，它在一个具有同质遗传背景的繁殖种群中捕获了整个烟草物种的大部分遗传多样性。创建这个种群需要在30年的时间里从大盆地沙漠不同地点的种子收集中筛选数百种天然植物，最终选择26种非常不同的亲本系，这些亲本系以一种非常有组织的方式相互杂交了10年。这些杂交的结果是MAGIC(多亲本高代杂交)群体。此外，研究人员还创建了一个高质量的连贯参考基因组。

在草食压力小的年份，生长和繁殖优先于防御成为优势

有了这个数据集，科学家们能够准确地绘制出对食草动物高易感性的遗传基础，以及茉莉酸偶联物水平的变化，并在基因组中定位致病突变。“在烟叶植物中，JAR基因的变异会影响茉莉酸偶联物的积累量。这种基因的突变会导致比正常植物更低的水平。突变体优先考虑生长和繁殖而不是防御，使它们更容易受到昆虫的攻击，但可能更容易快速生长并产生更多的后代，”该研究的第一作者里沙夫·雷说。此外，研究人员还证明，这种负责植物防御信号的单基因突变在一个种群中至少可以维持10年，并且一个强大的遗传网络可以缓冲防御缺陷，使突变体在自然界中生存。

基因突变不断发生，总的来说，在整个基因组中是随机分布的。大多数情况下，这些突变是有害的，但偶尔它们也会在突变体中产生有助于在某些环境中生存的有益特征。在这种情况下，正如本研究表明的那样，主要突变可能是一个强大的遗传网络的一部分，并导致其他具有重大影响的突变的积累。这增加了自然种群的遗传多样性，这对它们在快速变化的地球环境中长期生存和成功至关重要。“随着地球气候的迅速变化，了解和确定自然过程如何维持遗传多样性至关重要，这样我们才能找到更好的方法来保护和保存我们星球上剩余的生物多样性，”伊恩·鲍德温强调了这些发现的重要性。这位科学家几十年来一直在研究这种野生烟草物种的生存策略，他30年前在大盆地沙漠进行了广泛的种群抽样，这对研究的成功至关重要。这项研究表明，即使在多年之后，这些样本的收集和储存仍然是有价值的，并强调了资助这种长期研究项目的重要性。

文章标题

A persistant major mutation in canonical jasmonate signaling is embedded in an herbivory-elicited gene network