世界最簡單的動物揭示了隱藏的多樣性

第一個完全透過遺傳特徵定義的動物屬代表了動物分類和命名的新時代

來自扁盤動物門兩個不同屬的兩個個體:毛盤蟲)和香港多板蟲)。宏觀形態和內部結構無法區分,只有遺傳學才能區分它們。

漢斯-于爾根·奧西格斯,ITZ 生態與進化,漢諾威獸醫大學基金會,德國

來自 量子雜誌 (在此處查詢原始故事)。

世界上已知最簡單的動物非常不為人所知,以至於它甚至沒有通用名稱。它正式名稱為毛盤蟲,因其附著在玻璃器皿上的方式而得名。這種不定形的團狀物看起來並不起眼。這種生物只有幾毫米寬,形狀像一個壓扁的三明治,頂層起到保護作用,底層用於爬行,而黏糊糊的填充物將它們粘在一起。毛盤蟲沒有器官,只有少數幾種細胞型別,它最有趣的地方可能就是它令人震驚的平淡無奇。

“當我第一次聽說這種東西時,我就被它迷住了,因為它沒有真正確定的身體,”德國慕尼黑大學的路德維希-馬克西米利安大學的進化生物學家邁克爾·艾特爾說。“沒有嘴,沒有背,沒有神經細胞,什麼都沒有。”


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但在花費四年時間艱苦地重建這種團狀物的基因組後,艾特爾可能比地球上任何人都更瞭解這種生物。特別是,他對它的遺傳密碼進行了足夠仔細的研究,從而瞭解了視覺檢查未能揭示的內容。生物學家長期以來稱之為毛盤蟲的生物種類實際上至少有兩種,甚至可能多達十幾種,它們在解剖學上相同但在遺傳上不同的“隱存物種”動物。這一發現為分類學(生物命名科學)樹立了先例,這是首次透過純粹的遺傳學而非外觀來定義新的動物屬。

現代分類系統自卡爾·林奈在 1750 年代提出以來幾乎沒有改變,它試圖將龐大的生命之樹劃分為七個整潔的級別,從而為每個物種賦予一個獨特的標籤。兩部分組成的學名(例如智人)代表了透過這棵樹的分支路徑的末端,從最粗的樹枝(界)開始,到最細的樹枝(屬 (Homo)),然後再到物種 (sapiens)。至少在理論上,該路徑告訴您關於該生物與其他生物群體關係的所有資訊。

自從 1800 年代後期被發現以來,毛盤蟲一直被認為是具有高度不尋常的身體結構,並且在近半個世紀的時間裡,扁盤動物門(“扁平動物”)正式歸它獨有。門僅比界更具體一個級別,是一個巨大的空間,只能獨自佔據:我們的門,脊索動物門,充滿了超過 65,000 種現存物種,範圍從孔雀到鯨魚再到鰻魚。生物學家長期以來一直懷疑扁盤動物門隱藏著更多的多樣性,並且線粒體證據在 2004 年加強了這種懷疑,當時研究人員發現來自不同個體的短序列看起來與來自不同科(比屬更一般的級別)的生物的序列幾乎一樣不同。

但關於兩種扁盤動物的這一觀察結果不符合將它們歸入新的分類學類別的公認國際標準,這些標準歷來都基於動物的形態。“當時我們剛剛發現了遺傳差異,”2004 年論文的合著者,國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 國家系統分類學實驗室的動物學家艾倫·G·柯林斯說。“看看我們收集的動物,無法分辨它們在形態上可能有什麼不同。”

為了完成柯林斯開始的工作,艾特爾和他的同事決定放棄視覺方法,而是在扁盤動物基因組本身中尋找定義特徵。

他們首先使用柯林斯使用過的相同易於測序的線粒體 DNA 繪製了該門的遺傳領域。透過比較來自這種稱為 16S 的分子的資料,艾特爾得出結論,來自香港的特定種類扁盤動物是標準菌株最遠的親屬,標準菌株的基因組已於 2008 年完全測序。如果任何群體有資格成為不同的物種,那麼這就是其中之一。

接下來,他需要讀取、排序和解釋構成香港變種基因組的 8000 多萬個 A、G、C 和 T 核苷酸鹼基。培養幾千個扁盤動物,將它們混合以提取其核 DNA,並將它們的基因組片段轉換為數字格式需要幾周時間,但將這些片段打亂順序並弄清楚每個部分的作用的艱苦工作花費了四年時間來擺弄計算機程式。當該團隊最終準備好完整的基因組進行比較時,結果證明等待是值得的。“我們預計會發現差異,但當我第一次看到我們的分析結果時,我真的被震驚了,”艾特爾說。

四分之一的基因位置錯誤或倒寫。相似蛋白質的指令平均拼寫差異接近 30%,在某些情況下高達 80%。香港變種缺失了其遠親 4% 的基因,並且擁有自身獨特的基因。總體而言,香港扁盤動物基因組與毛盤蟲的基因組的差異程度與人類 DNA 與小鼠 DNA 的差異程度大致相同。“這真的很驚人,”艾特爾說。“它們看起來一樣,而我們看起來與小鼠完全不同。”

那麼,如果不是在動物鬆弛的外觀上,所有這些遺傳變化都體現在哪裡呢?

“即使扁盤動物本身看起來像一小團膠水,它也可能擁有一些正在做一些非常複雜事情的細胞,”加州大學河濱分校的海洋生物學家霍莉·比克說,她研究微小的海洋線蟲,線蟲也可能是隱存的。香港扁盤動物來自一個微鹹的紅樹林溪流,那裡的溫度和鹽度大幅波動,需要靈活的身體化學。“對於生物體來說,生理上,這是一件相當大的事情需要處理。在分子水平上,您需要特定的適應,”未參與這項研究的比克說。

透過將扁盤動物變異與其他門中群體之間的平均遺傳差異進行比較,德國團隊得出結論,香港扁盤動物不僅符合新物種的條件,而且也符合新屬的條件。它甚至可能在動物樹的其他區域符合新科或目的條件,但為了保守起見,該團隊將其屬變異標準建立在水母之上,水母是一個遺傳多樣性豐富的門,級別之間的劃分相對整潔。

剩下的就是命名。分類學規則要求識別特徵,但未具體說明它們應該是視覺特徵還是遺傳特徵,因此該團隊在 16S 線粒體基因組中挑選出四個遺傳字母,這些字母可以唯一地區分這兩個譜系。然後,在同行評審和PLOS 生物學 於 7 月下旬發表的支援下,他們的工作將一種新生物放在了我們的生命地圖上。

該團隊將其標本的屬名命名為何龍屬,以中國神話中一種可以變形的龍王命名,並將物種命名為香港種,以其採集地命名。類似的基於基因組的分類在原生生物和細菌世界中很常見,並且相對少數的隱存動物物種已根據遺傳學命名。混合了形態特徵和遺傳特徵的命名(和重新命名)也越來越普遍,最近重新分類了一種常見的室內植物。但這是首次僅使用遺傳特徵,而沒有喙大小或鰭數量等特徵的支援,來定義動物屬。“這些人從性感的分子生物學一直做到正確的命名,”路德維希-馬克西米利安大學的植物學家蘇珊娜·倫納說。“這太棒了。”

研究人員希望他們的工作將使未來基於遺傳特徵的命名更容易,這種命名不易受到鹿角和鰭等引人注目的視覺特徵的偏見的影響,這些特徵可能無法準確反映群體之間的進化距離。“必須有人成為第一個為根據基因組學定義新的廣義物種的權利而戰的人,我們很幸運地發表了它,”艾特爾說。

倫納說,這項工作是向遺傳分類學轉變的最新一步。“它花了很長時間才起飛,現在正在起飛,”她說。她指出,與物種的正式描述可能需要數頁文字相比,像德國團隊那樣僅用四個字母指定一種生物有助於實現快速高效。“林奈會很樂意這樣做。他設想的是非常簡明扼要的診斷。”

然而,儘管遺傳分類可能非常精確,但它可能會補充而不是取代傳統的區分動物的方式。觀察視覺特徵不需要實驗室花費數年時間。即使對於其他無法在圈養條件下飼養的隱存動物(如線蟲)而言,遺傳技術的使用也可能受到限制。“對我來說,使用單條線蟲,永遠不可能從個體中分離出足夠的 DNA 來使用其中一些技術,”比克說。

但對於研究人員可以培養的隱存動物來說,基因測序可能是照亮其進化樹陰影部分的完美聚光燈。艾特爾說,他從分析香港多板蟲基因組的過程中學到了很多東西,並預測對下一個變種(一個已經在進行中的專案)進行測序將需要幾個月而不是幾年。“未來可能會湧現出數十種新物種,”他說。“而且還會有更多,因為我們一直在取樣。”

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