草莓是一種珍貴的美味，其碩大的紅色果實和甜美的風味使其成為令人垂涎的果醬、獨立的下午茶點或幾乎任何甜點的配料。然而，草莓不僅僅是一種美味的零食。在鮮紅色的果實表面之下，隱藏著進化樹的一個獨特分支。草莓的基因特性非常適合科學家研究，並獲得關於生物體如何進化出新的、複雜的和多功能特徵的基本見解。
草莓基因組的第一個怪癖是科學家稱之為多倍體的現象，意思是其細胞中有多組染色體。人類是二倍體，意味著我們有兩組染色體；每個人從父親的精子供體獲得一組，從母親的卵子供體獲得一組。草莓，與此同時，是八倍體，意味著它有八組染色體。 真的。
第二個怪癖是雜交，即不同物種彼此交配併產生後代，後代包含來自兩個物種的基因組。（在大多數生物中，交配或繁殖會導致基因組的大雜燴，其中並非所有東西都被移植過來。）
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2019 年，我的同事和我發表了草莓植物的第一個高質量基因組，這揭示了八倍體基因組是透過逐步過程產生的。在大約一百萬年前的某個時候，兩個古老的二倍體物種雜交併產生了一個現已滅絕的植物物種，該物種具有四組染色體；該物種與第三個二倍體物種雜交，產生了六組染色體，然後與第四個二倍體物種雜交，產生了八組染色體。這種古老的野生八倍體隨後在整個西半球傳播，分裂成兩個物種，歐洲殖民者在 18 世紀收集了這些物種；這些植物在大約 300 年前的歐洲大陸經歷了最後的雜交事件，創造了您在雜貨店或花園中認識和喜愛的草莓。
這一切意味著草莓平均擁有每個基因的八個複製，以及每個細胞中相當於四個不同物種的遺傳多樣性。遺傳多樣性是進化的引擎，有了基因的多個複製，一個複製可以執行基本功能，而額外的複製可以自由地從事新的活動和功能。最近的兩項研究說明了這一優勢。首先，匹茲堡大學研究人員領導的一項研究發現，草莓物種中的多倍體導致的變化不僅使它們能夠在有利的環境中更好地生存和繁殖，而且還能夠在不利的環境中更好地抵抗壓力。正如研究人員指出的那樣，他們的發現符合一個假設，即多倍體使植物既能成為“萬事通”，又能成為“某些方面的專家”。
其次，馴化野生植物的過程不可避免地導致一般遺傳多樣性的大幅下降。人類只選擇野生物種總遺傳多樣性的一小部分，然後不斷選擇連續幾代的一小部分。這種模式與從小而灌木叢生的堅硬外殼的野生類蜀黍到鋪滿美國中西部景觀的單莖大穗玉米的轉變非常吻合。然而，由於多次雜交事件，草莓的情況並非如此。我的同事和我，在加州大學戴維斯分校的草莓育種實驗室的領導下，研究了野生和馴化八倍體草莓的基因組，並驚訝地發現，馴化草莓中的遺傳多樣性幾乎與野生親緣種一樣多。這種遺傳變異得到了很好的利用。同一項研究表明，從四個不同的二倍體親本物種遺傳的不同基因複製都在草莓早期和現代馴化歷史中受到自然選擇的影響；這些親本物種中的每一個都提供了不同的遺傳燃料儲備，以幫助物種適應不同的地點或滿足植物育種者的需求。
最後的雜交發生在兩個野生八倍體物種之間：一個原產於北美溫帶環境，另一個適應北美洲和南美洲西海岸。由此產生的雜交種能夠輕鬆適應不同的環境。來自加州大學戴維斯分校小組的另一項研究表明，在沿海環境中種植的馴化草莓中受到選擇的基因更可能來自原產於沿海環境的親本物種，而在溫帶環境中種植的馴化草莓中受到選擇的基因更可能來自適應溫帶生態系統的親本物種。透過擁有來自雜交的兩個基因組，草莓配備了額外的遺傳多樣性，以在親本物種適應的任何環境中生存。
多倍體的進化意義遠遠超出草莓。創造大量額外遺傳物質的能力為未來適應新的環境或在異常惡劣的條件下持續存在奠定了基礎。對生命之樹中數十個基因組的測序和分析表明，儘管許多真核物種目前具有二倍體基因組結構，但幾乎每個物種都擁有古代多倍體事件的訊號，即生物體經歷了全基因組複製並獲得了新的染色體組。這些事件明顯發生在主要新奇事物進化之前，例如脊椎動物的脊柱、植物的花朵和酵母的發酵。儘管經過數億年的進化，但在重複中維持的基因在這些性狀的發育中至關重要，這提供了強有力的證據，證明多倍體導致了這些新性狀的進化。此外，多倍體事件似乎發生在物種大滅絕事件期間，例如大約 6600 萬年前白堊紀和古近紀邊界的物種大滅絕事件；多倍體可能對物種在氣候劇變時期的生存至關重要。
下次您咬草莓時，請記住它不僅僅是一種美味的零食。它是瞭解獨特遺傳和進化過程的視窗，該過程解釋了物種如何進化出前所未有的功能或在史無前例的環境變化中生存。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。